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Geschrieben von Dr. Fabio Lisi
Bewertet von Dr. Alidad Amirfazli
Geprüft: 28
Dies ist ein praktischer Leitfaden zur Oberflächenforschung für Forscher, die in der Biotechnologieindustrie arbeiten.
In diesem brandneuen Leitfaden erfährst du alles über:
Lassen Sie uns gleich eintauchen.
In der Biotech-Industrie messen wir den Kontaktwinkel, die Oberflächenenergie und die Oberflächenspannung, um die Benetzbarkeit und Oberflächeneigenschaften von Materialien zu bewerten. Diese Messungen wirken sich erheblich auf verschiedene Anwendungen aus, darunter Arzneimittelverabreichungssysteme, Biomaterialien, Tissue Engineering und Diagnosegeräte. Durch das Verständnis des Grenzflächenverhaltens und der Oberflächeneigenschaften können wir die Leistung, Zuverlässigkeit und Biokompatibilität von Biotech-Produkten optimieren.
Wir nutzen die folgenden wichtigen Oberflächeneigenschaften, um das Verhalten von biotechnologischen Produkten zu verstehen und ihre Qualität zu verbessern.
Young – Laplace-Methode
Polynomiale Methode
Dynamischer Kontaktwinkel
Wenn wir einen Tropfen auf eine feste Oberfläche geben, besteht im Idealfall ein einzigartiger Winkel zwischen der Flüssigkeit und der festen Oberfläche. Den Wert dieses idealen Kontaktwinkels (den sogenannten Young-Kontaktwinkel) können wir mit Hilfe der Young-Gleichung berechnen. In der Praxis ist der Kontaktwinkelwert auf einer Oberfläche aufgrund der Oberflächengeometrie, Rauheit, Heterogenität, Verschmutzung und Verformung nicht unbedingt eindeutig, sondern liegt innerhalb eines Bereichs. Wir nennen die oberen und unteren Grenzen dieses Bereichs den fortschreitenden Kontaktwinkel bzw. den zurückweichenden Kontaktwinkel. Auch die Werte des vor- und zurückgehenden Kontaktwinkels für einen festen Untergrund sind sehr empfindlich. Sie können von vielen Parametern beeinflusst werden, wie z. B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Homogenität und kleinste Verschmutzung der Oberfläche und der Flüssigkeit. So können z.B. der vor- und zurückgehende Kontaktwinkel einer Fläche an verschiedenen Stellen unterschiedlich sein.
Praktische Oberflächen und Beschichtungen weisen von Natur aus eine Kontaktwinkelhysterese auf, die auf eine Reihe von Gleichgewichtswerten hinweist. Wenn wir statische Kontaktwinkel messen, erhalten wir einen einzigen Wert innerhalb dieses Bereichs. Sich ausschließlich auf statische Messungen zu verlassen, wirft Probleme auf, wie z. B. schlechte Wiederholgenauigkeit und unvollständige Oberflächenbewertung in Bezug auf Haftung, Sauberkeit, Rauheit und Homogenität.
In der Praxis müssen wir die Leichtigkeit der Flüssigkeitsverteilung (Vorschubwinkel) und die Entfernungsleichtigkeit (Rückzugswinkel) einer Oberfläche verstehen, z. B. beim Lackieren und Reinigen. Die Messung von Vorschub- und Rückzugswinkeln bietet eine ganzheitliche Sicht auf die Flüssig-Feststoff-Wechselwirkung, im Gegensatz zu statischen Messungen, die einen beliebigen Wert innerhalb des Bereichs liefern.
Diese Erkenntnisse sind entscheidend für reale Oberflächen mit Variationen, Rauheit und Dynamik und helfen Branchen wie Kosmetik, Materialwissenschaft und Biotechnologie bei der Gestaltung effektiver Oberflächen und der Optimierung von Prozessen.
Erfahren Sie, wie die Kontaktwinkelmessung mit unserem Tensiometer durchgeführt wird
Für ein vollständigeres Verständnis der Kontaktwinkelmessung lesen Sie unsere Kontaktwinkelmessung: Der endgültige Leitfaden
Diese Eigenschaft misst die Kraft, die auf die Oberfläche einer Flüssigkeit wirkt, mit dem Ziel, ihre Oberfläche zu minimieren.
Dynamische Oberflächenspannung
Die dynamische Oberflächenspannung unterscheidet sich von der statischen Oberflächenspannung, die sich auf die Oberflächenenergie pro Flächeneinheit (oder die Kraft, die pro Längeneinheit entlang des Randes einer flüssigen Oberfläche wirkt) bezieht.
Die statische Oberflächenspannung charakterisiert den Gleichgewichtszustand der Grenzfläche von Flüssigkeiten, während die dynamische Oberflächenspannung die Kinetik von Änderungen an der Grenzfläche berücksichtigt. Diese Veränderungen können das Vorhandensein von Tensiden, Additiven oder Schwankungen in Temperatur, Druck und Zusammensetzung an der Grenzfläche beinhalten.
Die dynamische Oberflächenspannung ist essentiell für Prozesse, die schnelle Änderungen an der Flüssig-Gas- oder Flüssig-Flüssig-Grenzfläche beinhalten, wie z. B. Tröpfchen- und Blasenbildung oder Koaleszenz (Änderung der Oberfläche), Verhalten von Schäumen und Trocknung von Lacken (Änderung der Zusammensetzung, z. B. Verdampfung von Lösungsmittel). Wir messen es, indem wir die Form eines hängenden Tröpfchens im Laufe der Zeit analysieren.
Die dynamische Oberflächenspannung gilt für verschiedene Branchen, darunter Kosmetika, Beschichtungen, Pharmazeutika, Farben, Lebensmittel und Getränke sowie industrielle Prozesse, in denen das Verständnis und die Kontrolle des Verhaltens von Flüssigkeitsgrenzflächen für die Produktqualität und Prozesseffizienz unerlässlich ist.
Erfahren Sie, wie die Messung der Oberflächenspannung mit unserem Tensiometer durchgeführt wird
Für ein vollständigeres Verständnis der Oberflächenenergiemessung lesen Sie unsere Oberflächenspannungsmessung: Der endgültige Leitfaden
Erfahren Sie, wie die Messung der Oberflächenenergie mit unserem Tensiometer durchgeführt wird
Für ein umfassenderes Verständnis der Oberflächenenergiemessung lesen Sie unsere Oberflächenenergiemessung: Der ultimative Leitfaden
Der Gleitwinkel misst den Winkel, in dem ein flüssiger Film über eine feste Oberfläche gleitet. Es wird häufig verwendet, um die Rutschhemmung einer Oberfläche zu beurteilen.
Erfahren Sie, wie die Gleitwinkelmessung mit unserem Tensiometer durchgeführt wird
Für ein umfassenderes Verständnis der Gleitwinkelmessung lesen Sie unsere Gleitwinkelmessung: Der endgültige Leitfaden
In der Biotechnologiebranche gibt es mehrere Fallstudien, die die Vorteile der Durchführung von Messungen der Oberflächeneigenschaften veranschaulichen.
Glykolipid-Biotenside aus Hefe stellen eine nachhaltige Innovation in der chemischen Produktion dar. Verschiedene Branchen, von der Lebensmittel- bis zur Kosmetikindustrie, setzen auf diese Tenside. Entscheidend ist, dass gelöster Sauerstoff eine Schlüsselrolle bei ihrer Synthese spielt. Es versorgt Mikroorganismen mit ausreichend Sauerstoff und schafft die ideale Umgebung für ein gutes Wachstum. Daher müssen Membranen, die den Gehalt an gelöstem Sauerstoff überwachen, das richtige Gleichgewicht erreichen: hydrophob genug, um Zelltrümmer abzustoßen, aber nicht so hydrophob, dass sie Luftblasen einschließen. Die Forscher verwenden Werkzeuge wie das von Droplet Lab entwickelte Tensiometer, um die Oberflächeneigenschaften dieser Membranen und der Fermentationslösung zu beurteilen und so einen nahtlosen und präzisen Produktionsprozess zu gewährleisten.
Medizinische Implantate, Gerüste und Biosensoren verändern unser Leben und werden zur täglichen Realität. Es ist entscheidend zu verstehen, wie verschiedene Oberflächen von Biomaterialien mit Wasser interagieren und es entweder anziehen (hydrophil) oder abstoßen (hydrophob). Dieses Wissen wirkt sich direkt auf alles aus, von der Zelladhäsion bis zur Geweberegeneration. Durch eine sorgfältige Anpassung der Oberflächenenergie und der Rauheit eines Substrats können wir beispielsweise das Zellwachstum deutlich verbessern. Die Oberflächenspannung spielt bei der Herstellung von Hybridwerkstoffen eine Schlüsselrolle. Wir können 3D-gedruckte Polymere mit zellbeladenen Hydrogelen kombinieren, um vollständig biokompatible 3D-Strukturen aus lebendem Gewebe zu schaffen. Dieser innovative Ansatz nutzt Oberflächenbenetzungskräfte, um flüssige Filme über die Öffnungen eines Netzes zu suspendieren, die dann in eine feste Beschichtung oder ein Hydrogel umgewandelt werden können.
Es ist leicht, Nanopartikel aufgrund ihrer geringen Größe als unbedeutend abzutun, aber der Schein kann täuschen. Trotz ihrer winzigen Größe revolutionieren sie mit ihrer bemerkenswerten Vielseitigkeit die Biotech-Industrie. Ihr großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, gepaart mit einer einstellbaren Oberflächenchemie, macht sie ideal für Arzneimittelverabreichungssysteme. Nehmen Sie zum Beispiel die Glaukombehandlung. Sowohl das Medikament selbst als auch seine Verabreichungsmethode spielen eine entscheidende Rolle für seine Wirksamkeit. Durch die Analyse von Kontaktwinkeln können Forscher genau steuern, wie mit Medikamenten beladene Nanopartikel mit der Augenoberfläche interagieren. Dies führt zu optimierten Formulierungen, die nicht nur die Patientenergebnisse verbessern, sondern auch eine nachhaltige und effiziente Wirkstoffabgabe gewährleisten.
Moderne Bioprozesse bieten faszinierende Reisen, bei denen Rohstoffe in potenziell lebensrettende Medikamente oder lebenswichtige Enzyme umgewandelt werden. In den Anfangsstadien finden sich jedoch häufig Einschlusskörper oder Kristalle. Diese Bioprozesse erzeugen eine komplexe flüssige Phase, einen Schmelztiegel verschiedener Biopartikel, die von Zelltrümmern und ganzen Zellen bis hin zu partikulären Biokatalysatoren und Nebenprodukten reichen. Es ist keine leichte Aufgabe, diese wertvollen Einheiten von den umgebenden anderen Partikeln zu trennen, da der Kontaktwinkel jedes Biopartikels eine entscheidende Rolle in diesem Reinigungsprozess spielt.
Die Oberflächeneigenschaften stehen hier im Mittelpunkt, da die Oberfläche eines Partikels seine Wechselwirkungen mit seiner Umgebung bestimmt. Hier kommen unsere Werkzeuge ins Spiel, die den Forschern die detaillierten Einblicke liefern, die sie zur Optimierung des Reinigungsprozesses benötigen. So stellt beispielsweise das Trocknen und Redispergieren dieser Partikel eine große Herausforderung dar. Ohne die wirkenden Kapillarkräfte zu verstehen – Kräfte, die direkt von der Oberflächenspannung beeinflusst werden – können Partikel leicht aggregieren oder Filme reißen. Durch präzise Messungen ermöglichen wir es Forschern, diese Fallstricke zu vermeiden und die höchstmögliche Produktqualität zu erreichen.
Wenn Sie an der Implementierung dieser oder anderer Anwendungen interessiert sind, kontaktieren Sie uns bitte.
Wohin wenden sich Biotechnologie-Hersteller in einer Branche, in der Präzision an erster Stelle steht, um sicherzustellen, dass ihre Produkte einer genauen Prüfung standhalten? Die Antwort liegt in Normen und Richtlinien: dem Kompass, der Kosmetikhersteller durch das komplexe Labyrinth von Qualität und Leistung führt.
Diese Norm ist anwendbar für die Messung der kritischen Oberflächenspannung von Substrate, Grundierungen und andere Beschichtungen. Die Messungen basieren auf über die Beobachtung der Benetzung und Entnetzung verschiedener Flüssigkeiten auf die Zieloberfläche aufgetragen.
Es stellt ein Verfahren zur Charakterisierung der Benetzbarkeit von Oberflächen durch Anwendung von Kontaktwinkelmessungen.
Bestimmung der Grenzflächenspannung — Methode des Tropfenvolumens. Es bietet eine Methode zur Messung der Grenzflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten. Die Grenzflächenspannung ist essentiell für die Formulierung stabiler Emulsionen und Suspensionen von Arzneimitteln und anderen bioaktiven Verbindungen sowie für die Beeinflussung von Zellkulturprozessen, insbesondere in Bioreaktorsystemen.
Ziel dieser Norm ist es, breite Kriterien festzulegen, die die Qualität von Messprozessen sicherstellen und zu präzisen und zuverlässigen Messwerten führen. Sie enthält auch allgemeine Leitlinien für die angemessene Schulung von Personal, das an Messungen beteiligt ist. Es ist zu beachten, dass diese Norm keine spezifischen akzeptablen Toleranzen vorgibt. Stattdessen liegt der Schwerpunkt darauf, Laboratorien bei der Entwicklung und Implementierung von Qualitätsprozessen zu unterstützen, indem kritische Faktoren hervorgehoben werden, die für genaue Messungen erforderlich sind, und effektive Schulungspraktiken für das an der Durchführung von Messungen beteiligte Personal gefördert werden.
Wir hoffen, dass dieser Leitfaden Ihnen gezeigt hat, wie Sie die Oberflächenwissenschaft in der Kosmetikindustrie anwenden können.
Nun möchten wir das Wort an Sie übergeben:
Droplet Lab wurde 2016 von Dr. Alidad Amirfazli, Fakultätsmitglied an der York University, und zwei seiner Forscher, Dr. Huanchen Chen und Dr. Jesus L. Muros-Cobos, gegründet.
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