3D-Druck für miniaturisierte Analytik

Trennphasen aus dem 3D-Drucker für die miniaturisierte HPLC

Die Miniaturisierung der Chromatographie-Säule ist ein wichtiger Schritt, um die Trennung und Analyse von Probengemischen schneller und ressourceneffizienter zu machen. Nun ist es Forschenden der Hochschule Reutlingen und des IUTA erstmalig gelungen, winzige chromatographische Trennphasen als Monolithe durch 3D-Druck mittels 2-Photonen-Polymerisation herzustellen und ihre Funktionalität nachzuweisen.

Typische HPLC-Säulen bestehen aus einem Edelstahl- oder Glasrohr, das mit einer stationären Phase (z.B. Silica-Gel oder Ionenaustauscher) gefüllt und an seinen Enden mit Siebplatten (Fritten) verschlossen ist. Durch die Miniaturisierung der Trennsäule und den gleichzeitigen Einsatz kleinerer Partikelgrößen der stationären Phase können der Ressourcenverbrauch reduziert, die Trenneffizienz erhalten und kürzere Analysenzeiten erreicht werden.

Miniaturisierung: Monolith statt Partikelsäule

Eine Reduktion des Partikeldurchmessers erhöht jedoch den Gegendruck. Ebenso setzt die Notwendigkeit, Fritten zur Fixierung der Partikel einzubauen, der Miniaturisierung Grenzen. Denn die Fritten erhöhen die Dispersion, d.h. sie führen zu einer Peakverbreiterung und damit zu einer Abnahme der Trennschärfe. Die durch die Fritten bewirkte Vergrößerung des Außensäulenvolumens relativ zur trennaktiven Strecke wirkt sich ebenfalls negativ auf die Trenneffizienz aus.

Durch Einsatz eines Monolithen als stationäre Phase kann auf Fritten verzichtet werden. In der Vergangenheit wurden sowohl Monolithe aus Quarzglas hergestellt als auch zahlreiche Versuche unternommen, Monolithe aus Polymeren in-situ herzustellen. Dies geschieht dann direkt in Kapillaren, Stahlröhrchen oder chipbasierten Strömungskanälen, die Kavitäten genannt werden.

Bisher war es verschiedenen Forschungsgruppen gelungen, Strukturen mit ausreichender Makro- und Mesoporosität herzustellen und gute Trenneigenschaften, beispielsweise bei der Peptid-Protein-Trennung, zu erreichen. Aber die Ausbildung der makro- und mesoporösen Strukturen während der Polymerisation geschah eher zufällig und ließ sich nicht exakt und reproduzierbar einstellen. Auch hatten einige der Monolithe eine vergleichsweise geringe Mesoporosität und damit eine geringe innere Oberfläche. Diese ist entscheidend für die Trennleistung der Säule.

Genau diese Probleme können mittels 3D-Druck überwunden werden.

Die Innovation: Makroporen nach CAD-Design, Mesoporen durch gesteuerte Polymerisation

Als Makroporenarchitektur wählten die Forschenden die Gyroidstruktur. Ein Gyroid ist eine unendlich verbundene, dreifach periodische Minimalfläche (TMPS, triply periodic minimal surface), die den Raum in zweifach kongruente, ineinandergreifende Labyrinthdomänen mit gleicher Geometrie unterteilt. Diese Struktur wiederholt sich in allen drei Raumrichtungen, sodass sich ein Gerüst mit überall gleichgroßen Poren ergibt (s. Bild). Dieses Design wird dem 3D-Drucker vorgeben.

Für die notwendige innere Oberfläche, die Mesoporosität, sorgen porogene Reagenzien im Harz und dies unabhängig von der durch das CAD-Design vorgegebenen Architektur. Durch die Anwesenheit funktioneller Monomere (z.B. Dodecylmethacrylat) wird die Oberfläche hydrophob – bestens geeignet für die Umkehrphasenchromatographie.

Winzige Demonstratoren im Praxistest

Mit der beschriebenen Methode wurden Monolithe von 3 mm Länge und 350 µm Durchmesser mit einer Porosität von etwa 70 % gedruckt. Mittels REM-Analyse (Rasterelektronenmikroskopie) wurden Mesoporen im Bereich 10 – 100 nm detektiert. Die Untersuchung im NanoCT (Computertomographie) ergab, dass die Struktur frei von Rissen, Harzresten oder anderen Defekten war.

Diese Monolithe wurden in ein mikrofluidisches System integriert und mit einem Gemisch aus der polareren Acetylsalicylsäure und den unpolaren Substanzen Naphthalin und Fluoranthen getestet. Das Material zeigte die entsprechende Trennwirkung. Die polare Substanz zeigte geringe Wechselwirkung mit dem Monolithen und eluierte mit der Totzeit. Die unpolaren Substanzen konnten retardiert und getrennt werden.

Vor allem bei der Integration der Monolithen in mikrofluidiche Systeme und der Herstellungsdauer sind Optimierungsmöglichkeiten gegeben, dennoch: Das Verfahren eröffnet neue Möglichkeiten für die direkte In-situ-Herstellung von Trennphasen in transparenten Mikrofluidiksystemen und den digitalen Entwurf und den Druck maßgeschneiderter makroporöser Geometrien für die Chromatographie.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben Nr. 01IF22786N der F.O.M. wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Beitragsbild: Diese REM-Aufnahme des Polymer-Monoliths zeigt die Makroporenarchitektur in Form der Gyroidstruktur. Bildquelle: Drieschner et al. Analytical Chemistry, 2026. Lizenz: CC BY 4.0.

Publikation: T. Drieschner, T. Werres, M Klassen, B. Lang, A. Lorenz, M. Brecht, Lorenz, T. Teutenberg, A. Kandelbauer: Hierarchically Structured Functionalized Polymer Monoliths Via Two-Photon Polymerization for Miniaturized HPLC Separation Columns. Anal. Chemistry, July 2026, https://doi.org/10.1021/acs.analchem.6c02512

Ansprechpartner

Dr. rer.nat. Tobias Werres
werres@iuta.de