Miniaturisierte Flüssigchromatographie Endlich mikro: wie 3D-Druck die HPLC verkleinert

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HPLC, aber im Mini-Format. Das ist aufgrund von geringem Lösungsmittelbedarf nachhaltiger und günstiger – doch trotzdem kaum verbreitet. Zu hoch sind die technologischen Hürden. Additiv gefertigte stationäre Phasen könnten nun allerdings den Weg zu vollständig gedruckten Lab-on-Chip-Systemen ebnen und damit der Mikro- und Nano-LC neuen Aufwind verleihen.

Die Miniaturisierung zählt seit Jahren zu den wichtigsten Entwicklungstrends in der instrumentellen Analytik. Kleinere Systeme benötigen weniger Lösungsmittel und Probenmaterial, ermöglichen kürzere Analysezeiten und eröffnen neue Anwendungen, von der Prozessanalytik bis hin zu portablen Lab-on-Chip-Systemen. Während sich Mikrofluidik in vielen Bereichen etabliert hat, stellt die Entwicklung leistungsfähiger miniaturisierter chromatographischer Trennsäulen bis heute eine technologische Herausforderung dar.

Das Forschungsprojekt 3DmiChrom der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) hat deshalb einen neuen Ansatz verfolgt: Statt konventionell gepackter Säulen bauen Wissenschaftler stationäre Phasen mittels Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) direkt dreidimensional auf. Dieses aktuell auflösungsstärkste additive Fertigungsverfahren erlaubt Strukturgrößen im Mikrometer- und Submikrometerbereich und eröffnet damit neue Freiheitsgrade bei der Fertigung chromatographischer Monolithe.

Miniaturisierung der Säulen: Woran hapert es?

Die Vorteile miniaturisierter Flüssigkeitschromatographie sind seit Langem bekannt [1-3]. Ein geringerer Verbrauch von Lösungsmitteln reduziert Betriebskosten und Umweltbelastung. Gleichzeitig sind die Analysezeiten kürzer, wodurch sich insbesondere Hochdurchsatzanwendungen wirtschaftlicher realisieren lassen. Dennoch haben sich mikrofluidische LC-Systeme bislang nur begrenzt durchgesetzt, sowohl im akademischen als auch industriellen Umfeld.

Ein wesentlicher Grund für die nur langsame Verbreitung der Mikro- und Nano-HPLC ist die extrem schwierige reproduzierbare Befüllung der erforderlichen Säulenhardware. Nur wenige Säulenhersteller haben überhaupt Trennphasen mit einem Innendurchmesser < 1 mm im Produktportfolio.

Stationäre Phasen aus dem 3D-Drucker

Im Mittelpunkt des gemeinsamen Forschungsprojekts zwischen der Hochschule Reutlingen und dem Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V. (IUTA) stand deshalb die Entwicklung additiv gefertigter Polymermonolithe auf Basis der 2PP: Hierbei wird ein flüssiges Harz ausschließlich dort ausgehärtet, wo die Moleküle zwei Photonen gleichzeitig absorbieren [4-5].

Zu Projektbeginn identifizierten die Projektpartner geeignete Fotolacke und entwickelten diese anschließend speziell für chromatographische Anwendungen weiter. Da kommerziell verfügbare Materialien die Anforderungen an chemische Funktionalität und Beständigkeit nicht erfüllten, wurden eigene Lackformulierungen für hydrophile, hydrophobe sowie ionische stationäre Phasen entwickelt. Besonders erfolgreich erwiesen sich Formulierungen auf Basis von 2-Hydroxyethylmethacrylat (HEMA) und Laurylmethacrylat (LMA), die sowohl eine hohe chemische Stabilität als auch eine gute Funktionalisierung zeigten.

Porenstruktur digital kontrolliert

Der eigentliche Fortschritt liegt jedoch im strukturellen Design der Monolithe. Während konventionelle Monolithen ihre Porenstruktur überwiegend durch Polymerisationsprozesse erhalten [6], wird diese beim 2PP vollständig digital definiert.

Mithilfe parametrischer Computer-Aided-Design-Modelle (CAD-Modelle) konnten unterschiedliche Geometrien untersucht werden (s. Abb. 2). Neben Oktaeder-, Tetraeder- und Sphärenstrukturen erwies sich die Gyroid-Geometrie als besonders geeignet. Diese TPMS-Struktur (Triply Periodic Minimal Surface) kombiniert eine hohe mechanische Stabilität mit einem hervorragend vernetzten Makroporensystem und günstigen Strömungseigenschaften. Simulationen der Strömungsmechanik lieferten zusätzlich Informationen für zukünftige Verbesserungen der dreidimensionalen Struktur.

Reproduzierbare Makroporen bis 1 µm

Ein zentrales Projektergebnis war die reproduzierbare Fertigung offener Makroporensysteme mit Porendurchmessern bis hinunter zu 1 µm. Entscheidend hierfür war nicht allein der Druckprozess, sondern insbesondere eine optimierte Nachbehandlung der gefertigten stationären Phasen. Nach dem Druck muss nämlich überschüssiger Fotolack vollständig aus den komplexen Porennetzwerken entfernt werden. Hierfür entwickelten die Forscher einen reproduzierbaren Reinigungsprozess, der durch Nano-CT-Aufnahmen und Durchflussmessungen verifiziert wurde. In Abbildung 3 ist der Arbeitsablauf für die Fertigung und Nachbehandlung der gedruckten stationären Phasen wiedergegeben.

Hierarchische Porosität verbessert die Trennung

Neben den definierten Makroporen wurde zusätzlich eine mesoporöse Oberflächenstruktur erzeugt. Diese hierarchische Porosität verbindet zwei Anforderungen chromatographischer Trennsäulen: Große Makroporen sorgen für geringe Strömungswiderstände, während Mesoporen die spezifische Oberfläche deutlich vergrößern und damit die Wechselwirkung zwischen Analyt und stationärer Phase verbessern. Im Projekt stellten die Forscher entsprechende Porensysteme gezielt und reproduzierbar her.

Die additiv gefertigten Monolithe wurden anschließend chromatographisch untersucht. Nach hydrophober Funktionalisierung mit Laurylmethacrylat gelang erstmals der experimentelle Nachweis einer Reversed-Phase-Funktionalität. Unter Gradientenbedingungen wurde ein Gemisch aus drei Verbindungen erfolgreich getrennt (s. Abb. 4).

Perspektive: Vollständig additiv gefertigte LC-Systeme

Langfristig reicht die Vision weit über einzelne Trennsäulen hinaus. Die Projektbeteiligten haben bereits einen ersten vollständig additiv gefertigten LC-Chip entwickelt, bei dem Mikrokanäle und stationäre Phase in einem gemeinsamen Fertigungsprozess entstehen. Zwar besteht bei der Anbindung an die Peripherie von HPLC-Systemen noch Entwicklungsbedarf, das Konzept zeigt jedoch, welches Potenzial die additive Fertigung künftig für integrierte analytische Systeme besitzt (s. Abb. 5).

Fazit und Ausblick

Die Ergebnisse des Projekts 3DmiChrom zeigen, dass der Mikro-3D-Druck auf Basis der Zwei-Photonen-Polymerisation stationärer Phasen deutlich mehr ist als ein alternatives Fertigungsverfahren. Er ermöglicht erstmals eine gezielte digitale Gestaltung von Porengeometrie, Oberflächenchemie und Strömungsverhalten innerhalb chromatographischer Monolithe. Mit reproduzierbar herstellbaren Makroporen bis 1 µm, hierarchisch porösen Polymermonolithen und ersten erfolgreichen chromatographischen Trennungen wurde ein zentraler Meilenstein hinsichtlich vollständig additiv gefertigter Mikro-LC-Systeme erreicht.

Zum Oktober 2026 startet ein IGF-Folgeprojekt. Insbesondere kleine und mittlere Unternehmen (KMU) aus den Bereichen der Herstellung stationärer Phasen sowie der additiven Fertigung sind eingeladen, an der ersten Sitzung des projektbegleitenden Ausschusses teilzunehmen. Sie findet am 1. Dezember 2026 am Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V. in Duisburg statt. Dort werden die Ergebnisse des abgeschlossenen Projekts vorgestellt sowie ein Ausblick auf die geplanten Forschungsarbeiten und Schwerpunkte des Folgeprojekts gegeben. Die Sitzung bietet zudem die Gelegenheit, eigene Anforderungen und Fragen einzubringen und den weiteren Projektverlauf aktiv mitzugestalten.

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.

Literatur

• [1] Hetzel T, Loeker D, Teutenberg T, Schmidt TC. Characterization of the efficiency of microbore liquid chromatography columns by van Deemter and kinetic plot analysis. J Sep Sci. 2016;39(20):3889-3897. doi: 10.1002/jssc.201600775.
• [2] Werres T, Schmidt TC, Teutenberg T. Influence of the column inner diameter on chromatographic efficiency in miniaturized and conventional ultra-high-performance liquid chromatography. Chromatographia. 2023;86:143-151. doi: 10.1007/s10337-023-04237-4.
• [3] Vasconcelos Soares Maciel E, de Toffoli AL, Sobieski E, Domingues Nazário CE, Lanças FM. Miniaturized liquid chromatography focusing on analytical columns and mass spectrometry: A review. Anal Chim Acta. 2020;1103:11-31. doi: 10.1016/j.aca.2019.12.064.
• [4] Hermatschweiler M. 3D-Druck erobert die Mikroskala: Laserlithografie als Innovationstreiber für Schlüsseltechnologien. Laser Tech J. 2013;10(4):55-57. doi: 10.1002/latj.201300001 
• [5] Lachmayer R, Lippert RB. Additive Manufacturing Quantifiziert. Berlin: Springer; 2017. doi: 10.1007/978-3-662-54113-5.
• [6] Svec F. Porous polymer monoliths: amazingly wide variety of techniques enabling their preparation. J Chromatogr A. 2010;1217(6):902-924. doi: 10.1016/j.chroma.2009.09.073.
• [7] Drieschner T, Werres T, Klassen M, Lang B, Lorenz A, Brecht M, Lorenz G, Teutenberg T, Kandelbauer A. Hierarchically structured functionalized polymer monoliths via two-photon polymerization for miniaturized HPLC separation columns. Anal Chem. 2026. doi: 10.1021/acs.analchem.6c02512

Autoreninfos

• Dr. Thorsten Teutenberg 
  Abteilungsleiter „Forschungsanalytik & Miniaturisierung“, Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V. (IUTA)
• Tobias Drieschner 
  Doktorand, Hochschule Reutlingen
• Dr. Tobias Werres 
  wissenschaftlicher Mitarbeiter, Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V. (IUTA)
• Martin Klaßen 
  Abteilungsleiter „Umwelthygiene & Pharmazeutika“, Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V. (IUTA)
• Björn Lang 
  studentische Hilfskraft, Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V. (IUTA)
• Dr. Anita Lorenz 
  Lebensmittelchemikerin, Hochschule Reutlingen
• Prof. Dr. habil. Marc Brecht 
  Vizepräsident Lehre, Hochschule Reutlingen
• Prof. Dr. Günter Lorenz (†) 
  Chemieprofessor, Hochschule Reutlingen
• Prof. Dr.-Techn. habil. Dipl. Ing. Andreas Kandelbauer 
  Prodekan Forschung der Fakultät Life Sciences, Hochschule Reutlingen