Faserverbunde ressourcen oberFlächen umweltrelevanz · Laut dem IAA1-Vorsitzenden David Howard ist...

Faserverbunde ressourcen oberFlächen umweltrelevanz

Pts-Forschungsbericht iw 090065neuartiger Produktschutz durch antigen-antikörPer reaktionen mittels nano-sol-immobilisierung auF PaPier

S. Hottmann, D. Fiedler: Bio-ID Papier 1 (29)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de

Titel Neuartiger Produktschutz durch Antigen-Antikörper Reaktionen mittels Nano-sol-Immobilisierung auf Papier S. Hottmann, D. Fiedler Inhalt

1 Zusammenfassung.................................................................................................................. 2

2 Abstract .................................................................................................................................... 4

3 Einleitung.................................................................................................................................. 6

4 Sol-Gel Immobilisierung von Antigenen – Stand des Wissens.......................................... 9

5 Materialien .............................................................................................................................. 11

6 Versuche................................................................................................................................. 13 6.1 Sol-Gel Formulierungen........................................................................................................... 13 6.2 Sol-Gel Formulierungen mit Antigen ....................................................................................... 16 6.3 Sol-Gel Antigen Schichten auf Papier als Sicherheitsmerkmal .............................................. 18 6.4 Applizierbarkeit des Sicherheitsmerkmals mit gängigen Druckverfahren............................... 22

7 Kostenanalyse ....................................................................................................................... 25

8 Schlussfolgerungen .............................................................................................................. 26



1 Zusammenfassung

Thema Neuartiger Produktschutz durch Antigen-Antikörper Reaktionen mittels Nanosol-Immobilisierung auf Papier

Zielstellung Das Ziel des Forschungsprojektes lag darin, eine Druckfarbe zu entwickeln, die als Sicherheitsmerkmal vor der Fälschung von Produkten schützt. Als Markerma-terial sollten Biomoleküle verwendet werden, die nach dem Induced-Fit Konzept mit spezifisch reagierenden Antikörpern in einem Färbe-Schnelltestverfahren identifiziert werden können. Als Matrix für die Biomoleküle sollten Sol-Gel Materi-alien auf SiO2-Basis eingesetzt werden.

Einsatz von Sol-Gel Materialien

Für das entwickelte Sicherheitsmerkmal wurden Sol-Gel Materialien auf SiO2-Basis ausgesucht und auf ihre Eignung für den Einsatz im Sicherheitsmerkmal untersucht. Aufgrund der durchgeführten Untersuchungen konnten relevante Eigenschaften der Sol-Gel Materialien definiert werden. Ausschlaggebend für den Einsatz der Sol-Gele im Sicherheitsmerkmal waren neben der Formulierung (sauer, basisch, neutral) auch die Lagerstabilität und die Verträglichkeit der Sol-Gele mit den ausgewählten Antigenen.

Druckfarbe „Sicherheits-merkmal“

Für das eigentliche Sicherheitsmerkmal wurden drei Antigen-Antikörper Kits ausgewählt und untersucht. Die Antigene wurden in ausgewählte Sol-Gele eingebracht und die Lagerstabilität und Funktionalität des Sicherheitsmerkmals wurden untersucht. Die Applizierbarkeit der Systeme wurde für den Flexo- und Inkjetdruck optimiert. Aufbauend auf den Ergebnissen konnten Erkenntnisse zur optimalen Applikation (Inkjet) und der damit verbundenen Funktionalität des Sicherheitsmerkmals erlangt werden. Die transparente Druckfarbe kann mind. 3 Monate gelagert werden und ist aufgetragen mind. 4 Monate nachweisbar.

Skizze Nachweis Sicher-heitsmerkmal

Als Nachweis wurden sogenannte Kassettentests genutzt:



Danksagung Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens IW 090065 gewonnen, das im Programm zur "Förderung von Forschung und Entwick-lung bei Wachstumsträgern in benachteiligten Regionen" mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über den Projektträger EuroNorm Gesellschaft für Qualitätssicherung und Techno-logie mbH gefördert wurde. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.



2 Abstract

Theme Novel product protection by antigen-antibody reaction using nanosol-immobilization on paper

Project objective The aim of the research project was to develop a printing ink that contains a safety feature to protect products against counterfeiting. The ink is composed of sol-gel materials and bio molecules that can be identified by specific antibodies resulting in a colour reaction (immunoassay principle).

Sol-gel materials Sol-gel materials based on SiO2 were tested regarding their suitability for the use in the developed safety feature. Due to the conducted tests relevant characteris-tics of the sol-gel materials have been determined. Key parameters for the use of sol-gel materials in the safety feature are the formula (acidic, alkaline, neutral), the shelf-life and the compatibility of the sol-gel materials with the bio molecules / antigens.

Printing ink “safety feature”

Three antigen-antibody kits were tested for their use in the safety feature. To create the ink, the antigens were put into selected sol-gel materials and the shelf-life as well as the functionality in the ink and on the applied surfaces have been determined. The ink has been optimised for flexo and inkjet printing. Based on the results of the analysis insights have been gained regarding the optimal application (inkjet) as well as the optimal functionality of the safety feature ink. The transparent ink has a shelf-life of at least 3 months and the applied safety feature can be verified for at least 4 months.

Verification For the verification of the safety feature test cassettes have been used:



Acknowledge-ment

The research project IW 090065 was funded by the German Federal Ministry of Economics and Technology BMWi in the programme for the “Promotion of Research, Development and Innovation in disadvantaged areas" and carried out under the umbrella of EuroNorm in Berlin. We would like to express our warm gratitude for this support.



3 Einleitung

Produktpiraterie Nach dem Bundesfinanzministeriums entsteht durch Produktfälschungen den Herstellern von Markenartikeln jährlich ein wirtschaftlicher Schaden von 142 Mrd. €. Die Internationale Handelskammer beziffert den Schaden auf weltweit 600 Mrd. € pro Jahr. Schätzungen gehen davon aus, dass durch Ideenklau und Kopieren von Markenartikeln in Deutschland bis zu 70.000 Arbeitsplätze poten-tiell gefährdet sind. Dabei trifft die Produkt- und Markenpiraterie nicht nur große, sondern zunehmend auch kleine und mittelständische Unternehmen (KMU). Diese können meist schlechter mit der Situation umgehen, da sie kaum Möglich-keiten haben ihre Produkte und ihr geistiges Eigentum zu schützen. [01–03]

Das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) erstellte 2006 eine Studie [04] zur Marken- und Produktpiraterie sowie zur Akzeptanz technologischer Schutzinstrumente in Unternehmen aus Deutschland. Das Phänomen der Marken- und Produktpiraterie weist hiernach in den letzten Jahren enorme Wachstumsraten auf. Fast zwei Drittel der befragten Unterneh-men gaben an, dass sie Opfer der Produktpiraterie geworden sind. Neben den Produkten werden – gerade im asiatischen Bereich – auch die Sicherheitsetiket-ten mit gefälscht [01]. Ein technisch „gutes“ Hologramm hat etwa eine „Halbwert-zeit“ von einer Woche. Aus diesem Grunde ist der Produktschutz ein aufstreben-der Bereich der etwa zweistellige Wachstumsraten aufweist. Vor allem die Nach-frage nach besonders aufwendigen Technologien ist gefragt und nimmt weiter zu. Der Markt für diese Art von Sicherheitstechnologie wird von der Branche mit etwa 4,5 Mrd. € bewertet.

Prozentuale Aufteilung des Werts der sichergestellten Waren in Deutschland 2009 [05]

Ob Pharmazie, Autoersatzteile, Schuhe, Unterhaltungselektronik oder Parfums – Produktpiraterie und Graumarkthandel haben sich in fast allen Märkten zu einem gravierenden wirtschaftlichen Problem entwickelt. Dies lässt sich unter anderem am Wert und der Aufteilung der sichergestellte Waren in Deutschland erkennen:



Mögliche Schutzmechanismen

Neben einem rechtlichen Schutz der Erzeugnisse gibt es auch eine Reihe technischer Hilfsmittel zur Absicherung von Markenartikeln. Die Fraunhofer Studie [04] geht davon aus, dass technologische Schutzmechanismen in Zukunft das größte Lösungspotential zur Bekämpfung der Produktpiraterie besitzen. Eine weitere Studie [06] im Auftrag der Internationalen Handelskammer zeigte, dass Firmen bereits schon jetzt über 50% der ihnen zur Verfügung stehenden Mittel für „Anti-Piraterie“-Technologien einsetzen. Laut dem IAA1-Vorsitzenden David Howard ist gerade der Fälschungsschutz eine Maßnahme, um Umsatz und Marktanteil auch in der Krise aufrecht zu erhalten [07]. Dabei sollten folgende Überlegungen bei der Auswahl einer geeigneten Methodik jedoch immer beach-tet werden [08]:Der Produktschutz sollte exklusiv sein, mit dem Erzeugnis fest verbunden sein, sichtbare und unsichtbare Elemente enthalten, einfach zu kontrollieren und zu erkennen sein, nicht zu kopieren, entfernen oder ändern sein und eine vernünftige Kosten-Nutzen Relation aufweisen. Weiterhin sollte der Einsatz solcher Hilfsmittel immer von einem strikt einzuhaltenden internen Sicherungsplan begleitet sein.

Sicherheits-technologien

Zurzeit befinden sich unterschiedliche technische Lösungen am Markt. Diese reichen von einfachen Strichcodes über Mikrotexte und Guillochen zu an-spruchsvolleren Hologrammen, Kippfarben, Mikro Taggants, Thermo-Active- bzw. Lumineszenztinten oder die S2i-Technik. Auch elektronische Sicherungen wie RFID-Etiketten und Internettracing finden Anwendung [09]. Biotechnologi-sche Lösungen wie z.B. die Kennzeichnung von hochwertigen Medikamenten mittels DNA-Codes werden seit 2003 von verschiedenen Pharmaunternehmen zur Sicherung Ihrer Produkte eingesetzt [10].

Präventive technische Maßnahmen gelten als ein entscheidender Faktor zum Schutz vor Produktpiraterie. Neben einer Weiterentwicklung von bereits ange-wandten Methoden ist die Entwicklung neuer und innovativer Methoden mit dem Ziel des verbesserten Produktschutzes dringend erforderlich. Nur durch fach-übergreifende Zusammenarbeit sind wirkungsvollere Methoden entwickelbar, die das Potential besitzen einen höheren Produktschutz zu bieten [09].

Ziele Das Ziel dieses Forschungsprojektes liegt darin, eine Druckfarbe zu entwickeln, die als Sicherheitsmerkmal vor der Fälschung von Produkten schützt.

Als Markermaterial sollen Biomoleküle (Antigene) verwendet werden, die nach einem Schlüssel-Schloss Prinzip bzw. dem Induced-Fit Konzept mit spezifisch reagierenden Antikörpern in einem Färbe-Schnelltestverfahren identifiziert werden können. Als Matrix für die Biomoleküle werden Sol-Gel-Materialien auf SiO2-Basis, die sich hervorragend zur Immobilisierung von Biomolekülen eignen, eingesetzt. Da die aus Sol-Gel-Materialien hergestellten Schichten transparent sind, kann der Produktschutz auch zusätzlich direkt auf bereits etablierte Sicher-heitsmerkmale aufgebraucht werden.

1 IAA = International Authentication Association



Prinzipskizze Sicherheits-merkmal

Umsetzung Zur Umsetzung des Vorhabens ist es notwendig die etablierte Sol-Gel Technik auf den Bereich der Druckfarbe anzupassen und unter Erhalt der für die Immobi-lisierung der Antigene nötigen positiven Eigenschaften wie der Konformation und somit der Bioaktivität der immobilisierten Moleküle zu sorgen. Geeignete Anti-gen-Antikörper Kits müssen den veränderten Bedingungen bei der Immobilisie-rung, sowie anschließenden Lagerung und dem finalen „Echtheitstest“ angepasst und entsprechend der gewählten Applikationsform modifiziert werden.



4 Sol-Gel Immobilisierung von Antigenen – Stand des Wissens

Sol-Gel Prozess Der sogenannte Sol-Gel Prozess ist ein seit vielen Jahren bekanntes Verfahren, um funktionalisierte Partikel mit definierter Zusammensetzung im Nanometer-Bereich aufzubauen [11–16].

Ausgangspunkt des Sol-Gel Prozesses sind monomere Alkoxyverbindungen des Siliciums oder Metallen [17–20], die in Gegenwart von Wasser und einem Katalysator (Säure oder Base) hydrolysiert werden. Die entstehenden Hydroxyl-verbindungen kondensieren untereinander, wachsen jedoch aufgrund ihrer gleichnamigen Oberflächenladungen zunächst nicht zusammen. Diese soge-nannten Sole sind über mehrere Wochen ohne äußere Veränderung stabil und lagerfähig. Wird das Lösungsmittel-Wasser Gemisch verdampft, nähern sich die Partikel einander an und vernetzen untereinander, so dass zunächst ein dreidi-mensionales Netzwerk entsteht, das vom noch vorhandenen Lösungsmittel-Wasser Gemisch durchtränkt ist, ein sogenanntes Gel. Ein vollständiges Ver-dampfen des Lösungsmittel-Wasser Gemisches führt zu einer stärkeren Quer-vernetzung des Polysiloxannetzwerks, wodurch hochvernetzte, kompakte und widerstandsfähige Schichten entstehen. Die Eigenschaften der Sol-Gel Lösun-gen und resultierenden Schichten sind durch die Wahl der Ausgangsparameter in einem sehr weiten Bereich variierbar [11].

Ein großer Vorteil der Sol-Gel Systeme ist deren gute Applizierbarkeit: Beschich-tungslösungen können mittels gängiger Verfahren wie Drucken, Tauchen, Fluten, Sprühen oder Gießen aufgebracht werden [21].

Sol-Gel Immobilisierung von bioaktiven Substanzen

Anorganische oxidische Nanosole bieten eine gute Möglichkeit bioaktive Rea-genzien, Biomoleküle und selbst lebende Zellen homogen in eine Siliciumdioxid- oder Metalloxid-Matrix (MeOn) einzubetten und als dünne biokatalytische Schich-ten zu applizieren.

Hierbei gibt es wesentliche Eigenschaftsmerkmale:

• Nahezu alle Biomoleküle können in die anorganische Sol-Gel-Matrix einge-bettet werden.

• Eingebettete Biomoleküle erhalten in der Matrix weitgehend ihre Konformation und ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften.

• Eingebettete Moleküle sind externen Reagenzien und damit chemischen Reaktionen und Wechselwirkungen zugänglich.

Bioaktive Nanokomposite können als Filme, Volumenkörper oder Fasern herge-stellt und genutzt werden. Die Immobilisierung von räumlich großen Biokompo-nenten ermöglicht den vorteilhaften Einsatz solcher bioaktiver Nanokomposite in der Biotechnologie, der Biosensorik und medizinischen Diagnostik, da durch die steuerbare Porosität der anorganischen Matrix eine weitgehend ungehinderte Diffusion kleiner Reagenzien in und aus der Schicht möglich ist. Hierdurch werden oft ähnlich hohe Enzymaktivitäten wie in Lösung beobachtet (⇒ hohe Effizienz von biokatalytische Reaktionen in Sol-Gel-Schichten) [22–24].



Skizze Sol-Gel Immobilisierung von Antigenen

Sol

Metall-alkoxid-Lösung

Xerogel

HydrolyseGel-

Bildung Trocknung+ Antigen

Sol Gel

Beschichtung

Gel-Bildung Gel

Substrat

Trocknung

Substratporöser

Xerogelfilm

Sol

Metall-alkoxid-Lösung

Xerogel

HydrolyseGel-

Bildung Trocknung+ Antigen

Sol Gel

Beschichtung

Gel-Bildung Gel

SubstratGel

Substrat

Trocknung

SubstratSubstratporöser

Xerogelfilm

Nachweis Antigen durch Immunoassays

Als Immunoassays werden eine Reihe von Methoden in der Bioanalytik bezeich-net, deren gemeinsames Grundprinzip die Erkennung und damit der Nachweis eines Analyten in einer flüssigen Phase durch die Antigen-Antikörper Reaktion ist, bei der sich ein Komplex aus Antigen und Antikörper nach dem Induced-fit Konzept bildet:

Antigen-Antikörper KomplexAntikörper Antigen Antigen-Antikörper KomplexAntikörper Antigen

Immunoassays gehören zu den am weitesten verbreiteten Methoden in der Bioanalytik. Sie bieten eine sehr hohe Spezifität und Sensitivität bei vergleichs-weise geringen apparativen Aufwand sowie Kosten- und Zeitbedarf. In der Lebensmittelanalytik ist die ELISA2-Technik (enzyme-linked immunosorbent assay) die wichtigste immunchemische Methode [25]. Diese Reaktion basiert auf einer enzymatischen Farbreaktion. Dieses Prinzip soll zur Identifizierung des Sicherheitsmerkmals genutzt werden.

Während die meisten Immunoassays aufgrund der dafür notwendigen Ausstat-tung in spezialisierten Laboren durchgeführt werden, gibt es einige Formate für die "on site"-Durchführung vor Ort. Diese Tests sind als Teststreifen konzipiert und dementsprechend einfach in der Handhabung wie z.B. Schwangerschafts-tests und sollen soweit vorhanden für die Versuche genutzt werden.

2 ELISA = Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay



5 Materialien und Methoden

5.1 Materialien

Rohstoffe Bezeichnung Substanz Strukturformel

TEOS Tetraethoxysilan

GLYEO 3-Glycidyloxypropyl-triethoxysilan

MTES Methyltriethoxysilan

OCTEO Octyltriethoxysilan

9116 Hexadecyl-trimethoxysilan

F8261 Fluoralkylsilan in Ethanol; bifunktionell

F8815 modifiziertes Fluoralkylsiloxan in Wasser; trifunktionell

Ammoniaklösung 0,25%

Antigen 1

Antigen 2

Antigen 3

Dispersionslack wasserbasiert

Ethanol zur Analyse mit ca. 1% Ethylmethylketon vergällt

Glycerin zur Synthese wasserfrei

Natronlauge 0,005m

Salzsäure 0,01n

Tensid 1 Propylenoxid-Ethylenoxid-Blockpolymerisat

Tensid 2 Ethoxylierte Acetylendiole

Tensid 3 Natrium-di-ethyl-hexyl-sulfosuccinat

Triethanolamin zur Analyse

VE-Wasser



5.2 Methoden

Lagerung der Sol-Gel Materialien

Die Sol-Gel Materialien wurden im Kühlschrank aufbewahrt. Vor jeder Messung wurde sichergestellt, dass die Materialien Zimmertemperatur besaßen.

Viskosität Die Viskosität wurde mittels eines Brookfield Viskosimeter bestimmt.

Trübung Zur Messung der Trübung wurde das Dr. Lange „Nephlo“ Nephlometer genutzt, das nach dem Prinzip der Streulichtmessung funktioniert.

Dynamische Oberflächenspannung

Die Oberflächenspannung der Flüssigkeiten wurden mit dem Labor-Blasendrucktensiometer „SITA Online T60“ der Fa. SITA Messtechnik GmbH gemessen.

Auftrag der Sol-Gel Materialien

Soweit nicht anders benannt, wurden die Sol-Gel Materialien mit dem Labor-handrakel „K-Control-Coater“ Modell K 202 von Erichsen Testing Equipment aufgetragen. Die Trocknung erfolgte bei 60°C für 90s in einem Laborofen.

Oberflächen-spannung

Die Messung der Oberflächenspannung der Beschichtungen wurde nach der PTS-Methode PTS-PP:103/85 durchgeführt.

Glanz Der Glanz wurde nach Tappi 75° gemessen.

Bewitterungs-tests

Ausgewählte Muster wurden für 3 Monate einer Freilandbewitterung mit einer Nordwestausrichtung ausgesetzt.

UV Beständigkeit Zur Messung der UV-Beständigkeit wurden die Proben für 2 Wochen in einer Dunkelkammer mit UV-Licht (254nm) bestrahlt.

Feuchte- und Chemikalien-beständigkeit

Zur Untersuchung der Feuchte- und Chemikalienbeständigkeit wurde ein Watte-bausch mit dem gewünschten Lösungsmittel getränkt und auf die Beschichtung gelegt. Um ein Verdampfen des Lösungsmittels zu verhindern, wurde der ge-tränkte Wattebausch mit einem Uhrglas bedeckt. Nach 1h wurd der Wattebausch entfernt und die Muster an der Luft getrocknet.

Auswertung der Bewitterungs- und Beständigkeitstests

Zur Auswertung der Bewitterungs- und Beständigkeitstests wurden Aufnahmen der Oberfläche der untersuchten Muster vor und nach den Tests mit Hilfe des digitalen Mikroskops von Keyence VHX 500F gemacht und bewertet. Die Be-schichtungen mit Antigen wurden ebenfalls auf dessen Funktionalität untersucht.

Funktionalitäts-tests

Die Funktionalität der Sicherheitsmerkmale wurde mittels Kassettentests durch-geführt.



6 Versuche

6.1 Sol-Gel Formulierungen

Synthese Auf Basis der ausgewählten Rohstoffe wurden folgende Sol-Gel Materialien nach dem sauren bzw. basischen Reaktionsmechanismus hergestellt:

Bezeichnung pH FG [%] Farbcode

40,0g TEOS30,0g VE-Wasser

30,0g 0,01n HCl18,5g TEOS

77,8g Ethanol3,7g 0,01n HCl

56,0g TEOS


10,0g TEOS60,0g VE-Wasser


12,9g MTES10,0g GLYEO


56,0g TEOS35,0g Wasser


60,0g Ethanol

30,0g VE-Wasser40,0g TEOS60,0g VE-Wasser

3,0g Triethanolamin

14,3g TEOS57,1g Ethanol

28,6g 0,005m NaOH14,3g TEOS

57,1g VE-Wasser28,6g 0,25% Ammoniaklösung

100,0g G38,0g F8815

100,0g G4

8,0g 9116

H83,8 18,8

H73,4 3,1

B4

10,7 3,6

B2

9,7 0,3

B1

9,1 13,4

Sx3

6,6 0,2

G5

2,9 17,4

G4

2,3 15,5

G3

2,2 2,8

G2

2,1 21,2

G1

3,1 6,3

Formulierung

G0

2,2 12,6



Stabilität der Sol-Gel Materialien

Um auf geeignete Sol-Gel Materialien für die Versuche mit Antigen zurückgreifen zu können, wurde die Stabilität der Materialien näher betrachtet. Dafür wurde die Viskosität der Sol-Gele über einen Zeitraum von 6 Monaten kontinuierlich ge-messen.

Direkt nach der Herstellung (W0) bewegt sich die Viskosität aller Systeme in einem Bereich von 3 bis 7mPas. Über einem Zeitraum von 24 Wochen lassen sich jedoch deutliche Unterschiede in der Stabilität bzw. der Viskosität der Sol-Gel Materialien erkennen. Bei den Sol-Gel Materialien, die nach dem sauren Reaktionsmechanismus hergestellt worden sind, ist auffällig, dass die ethanolba-sierten Systeme tendenziell stabiler sind, als die wasserbasierten Systeme (gleichbleibende Viskosität über einen Zeitraum von 24 Wochen). Einzige Ausnahme bildet G3, bei dem die Gelbildung trotz Wasser als Lösungsmittel erst nach 24 Wochen eintritt. Bei den Sol-Gel Materialien, die nach dem basischen Reaktionsmechanismus hergestellt worden sind, lässt sich solch eine Aussage nicht tätigen.

0

5

10

15

20

25

G0 G 1 G2 G3 G4 G5 S x3 B 1 B 2 B 4 H7 H8

Bro

okfield Viskosität 10

0 [m

Pas

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W0 W1 W2 W4

W8 W12 W18 W24

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Haltbarkeit der Sol-Gel Materialien

Die Kombination der Untersuchungen zur Viskosität, Trübung und Stippenbil-dung ergibt die Haltbarkeit der hergestellten Sol-Gel Materialien, die in der folgenden Grafik dargestellt ist:



0

1

2

3

4

5

6

G0 G1 G2 G3 G4 G5 S x3 B1 B2 B4 H7 H8

Haltbarke

it [Monat] > 6

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G0 G1 G2 G3 G4 G5 S x3 B1 B2 B4 H7 H8

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ate

Herstellungs-dauer

Ein weiterer wichtiger Punkt – gerade im Hinblick auf die Herstellung der Produk-te im größeren Maßstab – stellt die Herstellungsdauer der Sol-Gel Materialien dar, d.h. die Zeit, die das Sol-Gel Material braucht bis sich ein 1-Phasensystem gebildet hat. In der folgenden Grafik ist die Herstellungsdauer der Sol-Gel Materialien dargestellt.

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

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6.0

6.5

G0 G1 G2 G3 G4 G5 Sx3 B1 B2 B4 H7 H8

Zeit

[h]

7 Ta

ge

1 Ta

g

< 1min < 1min < 1min < 1min < 1min

mit

Eth

anol

mit

Etha

nol

mit

Eth

anol

mit

Etha

nol

mit

Etha

nol

mit

Etha

nol



Es zeigt sich, dass Sol-Gele mit Ethanol deutlich schneller ein 1-Phasensystem ausbilden als wässrige Sol-Gele. Einzige Ausnahme bildet Sx3, dies lässt sich darauf zurückführen, dass neben TEOS, Ethanol und Wasser kein Katalysator wie Salzsäure oder Natronlauge eingesetzt worden ist, um ein neutrales Sol-Gel herzustellen.

Geeignete Sol-Gel Systeme für weiterführende Systeme

Da das Sicherheitsmerkmal als Druckfarbe für unterschiedliche Druckverfahren eingesetzt werden soll, wird den wasserbasierten Systemen trotz der z.T. deut-lich längeren Herstellungsdauer aus arbeitstechnischen Gründen (Gesundheits- und Umweltschutz, Trocknungsproblematik bei ethanolbasierten Systemen) Vorrang gegeben.

Für die weiteren Versuche mit Antigen wurden folgende Sol-Gel Materialien ausgewählt:

• G3: wasserbasiert pH 2,2 • Sx3 ethanol-/wasserbasiert pH 6,6 • B2 ethanolbasiert pH 9,7 • B4 wasserbasiert pH 10,7

6.2 Sol-Gel Formulierungen mit Antigen

Auswahl Antigen-Antikörper Kits

Beispielhaft wurden drei auf dem Markt kommerziell erhältliche Antigen-Antikörper Kits bezüglich ihrer Einsetzbarkeit in Sol-Gel Materialien untersucht. Es wurden nur solche Antigene ausgewählt, für die schon jetzt kommerzielle Kassettentests verfügbar sind.

Im Folgenden wird der Einfluss des Antigens auf die Sol-Gel Stabilität am Beispiel von Antigen 1 dargestellt.

Sol-Gel Formulierungen Antigen 1

Bezeichnung Sol-Gel Einsatzmenge Antigen 1 pH FG [%] Farbcode

G3-C1 G3 0.002% 2.7 3.4

G3-C2 G3 0.004% 2.7 3.4

G3-C4 G3 0.008% 2.7 3.4

G3-C5 G3 0.01% 2.7 3.4

G3-C10 G3 0.02% 2.7 3.9

G3-C20 G3 0.04% 3.1 4.0

Sx3-C20 Sx3 0.04% 6.9 2.7

B2-C20 B2 0.04% 8.4 1.4

B4-C20 B4 0.04% 9.5 3.8



Stabilität der Sol-Gel Antigen Mischungen

Wie zuvor mit den reinen Sol-Gel Lösungen wurden auch die Sol-Gel Antigen Materialien auf ihre Stabilität hin untersucht. Die folgende Grafik zeigt, dass sich weder die Viskosität noch der pH Wert bei Zugabe des Antigens zu den ausge-wählten Sol-Gel Materialien signifikant verändert. Dies wird in der folgenden Grafik deutlich, die die Viskosität sowie den pH-Wert von G3, Sx3, B2, B4 mit 0,04% Antigen 1 – gemessen direkt nach der Herstellung (W0) – darstellt.

0

1

2

3

4

5

6

7

G3 G 3‐C 20 S x3 S x 3‐C 20 B 2 B 2‐C 20 B 4 B 4‐C 20

Brookfield Visko

sität 100

[mPas]

0

2

4

6

8

10

12

pH‐W

ert [‐]

pH ‐Wert

In der folgenden Grafik ist die Viskosität der Sol-Gel Antigen Mischungen über einen Zeitraum von 4½ Monaten aufgetragen.

0

5

10

15

20

25

G3‐C 1 G3‐C 2 G3‐C 4 G3 ‐C 5 G 3‐C 10 G 3‐C 20 S x3‐C 20 B 2 ‐C 20 B4 ‐C 20

Brookfield Visko

sität 10

0 [mPas]

W0 W1 W2 W4

W8 W12 W18

Gel

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1 M

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Haltbarkeit der Sol-Gel Antigen Mischungen

Kombiniert man die Ergebnisse der Viskositäts-, Trübungs- und Stippenbil-dungsuntersuchungen so ergibt sich die Haltbarkeit der Sol-Gel Antigen Mi-schungen, die in der folgenden Grafik dargestellt ist.

0

1

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3

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5

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G3

G3‐C1

G3‐C2

G3‐C4

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G 3‐C20 S x

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Hinsichtlich der Viskosität und der Haltbarkeit ist deutlich zu erkennen, dass die Einsatzmenge an Antigen bei G3 und Sx3 eine bedeutende Rolle spielt. Schon ab einer Einsatzmenge von 0,002% Antigen 1 wird die Haltbarkeit um 33% reduziert. Ab einer Einsatzmenge von 0,02% bzw. 0,04% Antigen 1 reduziert sich die Haltbarkeit um weitere 50% bzw. 63%. Tendenziell gilt für saure und neutrale Sol-Gele: Je höher die Einsatzmenge an Antigen, desto geringer die Haltbarkeit.

6.3 Sol-Gel Antigen Schichten auf Papier als Sicherheitsmerkmal

Einführung Im Sol-Gel konnten alle ausgewählten Antigene nachgewiesen werden, wobei sich die Nachweisgrenze der Antigene sehr unterschied. Konnte Antigen 2 schon ab einer Menge von 0,0001% im Sol-Gel nachgewiesen werden, wurde Antigen 3 erst ab einer Menge von 20% und Antigen 1 ab einer Menge von 0,002% nachgewiesen. Die Nachweisbarkeit der Antigene im Sol-Gel sollte erste An-haltspunkte für die Funktionalität des Sicherheitsmerkmals geben. Die Nach-weisbarkeit der Antigene auf dem beschichteten Papier also in der Sol-Gel Matrix ist jedoch der ausschlaggebende Parameter für die Funktionalität des Sicher-heitsmerkmals.

Am Beispiel von Antigen 1 werden im Folgenden die Funktionalität und die Lagerstabilität des Sicherheitsmerkmals dargestellt.



Nachweis-methode

Zum Nachweis des Antigens in der aufgebrachten Sol-Gel Matrix sollte das sogenannte Färbeschnelltestverfahren genutzt werden. Bei diesem Verfahren ist neben dem Aufbringen eines markierten Antikörpers immer ein Waschschritt notwendig, um die überschüssigen Antikörper auszuwaschen und somit einen falschen Positivnachweis zu vermeiden. Da das Sicherheitsmerkmal primär für Verpackungen genutzt werden soll, die vorwiegend aus Papiermaterialien bestehen, würde diese Vorgehensweise zur Beschädigung der Papiere und somit auch der Verpackung führen.

Um eine Beschädigung der Papieroberfläche und damit der Verpackung so gering wie möglich zu halten wurde der Nachweis mittels eines sogenannten Kassettentests durchgeführt: Hierbei wird ein Tropfen von ca. 1ml Lösungsmittel (i.d.R. Wasser) auf die Stelle der Verpackung mit dem Sicherheitsmerkmal aufgebracht. Nach einer festgelegten Einwirkzeit (ca. 3min) wird der Tropfen wieder aufgenommen und dem Kassettentest zugeführt (siehe Skizze). Nach Aussage von Spezialisten können Kassettentests relativ kostengünstig für alle denkbaren Antigene hergestellt werden.

Nachweis mittels Kassettentest

Nachweisbar-keitsgrenze des aufgebrachten Sicherheits-merkmals

Um die Nachweisbarkeitsgrenze auf dem Papier zu ermitteln, wurden Sol-Gel Materialien mit verschiedenen Anteilen an Antigen 1 hergestellt. Die Sol-Gel-Antigen Mischungen wurden mittels eines halbautomatischen Handrakels auf die Papiere aufgebracht (Rakel 1, Geschwindigkeit 10 Nassfilmdickenauftrag von ca. 6µm) und bei 60°C für 90s in einem Laborofen getrocknet. Nach Auftrag der Sol-Gel-Antigen Schicht wurde die Funktionalität des Sicherheitsmerkmals mittels Kassettentest untersucht, siehe folgende Tabelle:

Bezeichnung G3-C1 G3-C2 G3-C4 G3-C5 G3-C10 G3-C20 Sx3-C20 B2-C20 B4-C20

Ergebnis Kassettentest positiv positiv positiv positiv positiv positiv positiv positiv positiv

Bei allen Varianten des Sicherheitsmerkmals konnte das Antigen nach Auftrag auf dem Papier mittels Kassettentests nachgewiesen werden, d.h. ein Anteil von 0,002% Antigen 1 in einem Sol-Gel ist für ein funktionierendes Sicherheitsmerk-mal ausreichend. Dies entspricht bei einem Nassfilmdickenauftrag von ca. 6µm und einem Feststoffgehalt von 3,4% einem Anteil von 0,06% Antigen 1 in der aufgebrachten und getrockneten Schicht.



Alterung des Sicherheits-merkmals – Funktionalität

Die mit dem Sicherheitsmerkmal ausgestatteten Papiere wurden über einen Zeitraum von 4 Monaten auf die Funktionalität des Sicherheitsmerkmals unter-sucht. Für die Untersuchungen wurden die Papiere unter konstanten Klimabe-dingungen gelagert und getestet. Neben den Untersuchungen zur Alterung der Beschichtung, wurde auch die Alterung der Sol-Gele untersucht. Dafür wurden nach festgelegten Zeiten die gealterten Sol-Gel-Antigen Mischungen auf Papier aufgebracht und getestet. Bei positivem Nachweis wurde die Alterung der Beschichtung wie oben beschrieben weiter untersucht. In der folgenden Tabelle ist dies beispielhaft für eine Variante des Sicherheitsmerkmals (G3-C10: Sol-Gel G3 mit 0,02% Antigen 1) dargestellt. Das Sicherheitsmerkmal ist nach Auftrag mindestens 4 Monate haltbar.

positivpositivpositivpositivpositivG3-C10-W16

positiv

positiv

positiv

positiv

Positiv

positiv

MesszeitpunktWoche 16 (W16)

positivpositivpositivpositivG3-C10-W12








Messzeitpunkt Woche 4 (W4)

Messzeitpunkt sofort (W0)

Ergebnis KassettentestLabormuster

positivpositivpositivpositivpositivG3-C10-W16

positiv

positiv

positiv

positiv

Positiv

positiv










Messzeitpunkt Woche 4 (W4)

Messzeitpunkt sofort (W0)

Ergebnis KassettentestLabormuster

Alterung: Beschichtung

Alte

rung

: Sic

herh

eits

mer

kmal

Alterung des Sicherheits-merkmals – Oberflächen-spannung

Bei der Prüfung der Schichten der gealterten Sol-Gele mit Antigen zeigte sich, dass sich die Oberflächenspannung dieser über die Lagerungsdauer stark verändert. So ist bei G3-C10-W16, also nach 4 Monaten Lagerzeit der Sol-Gel-Antigen Mischung, ein starkes Spreiten des Wassers auf der damit beschichteten Oberfläche zu beobachten. Dies ist auf die Reifung der Sol-Gele zurückzuführen, die im Laufe der Zeit immer hydrophiler werden. Die Messung der Oberflächen-spannung der beschichteten Muster bestätigt diesen Umstand:



0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

Papier G3-C10-W0 G3-C10-W4 G3-C10-W8 B2-C20-W0 B2-C20-W4 B2-C20-W8 B2-C20-W12

Obe

rfläc

hens

pann

ung

[mN/

m]

disperser Anteil polarer AnteilG3-C10: 0,02% Antigen 1 in Sol-Gel G3

B2-C20: 0,04% Antigen 2 in Sol-Gel B2

So erhöht sich die Oberflächenspannung – vor allem der polare Anteil – der Beschichtung, je länger das Sol-Gel gelagert ist. Die Funktionalität des Sicher-heitsmerkmals wird durch die Lagerung zwar nicht zerstört, für den kommerziel-len Einsatz sollte aber aufgrund der Benutzerfreundlichkeit hinsichtlich des Nachweises auf den Einsatz der Druckfarbe nach 2 Monaten Lagerzeit verzichtet werden.

Beständigkeit des Sicherheits-merkmals

Neben der Lagerstabilität und Funktionalität des Sicherheitsmerkmals ist auch die Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit, UV, Chemikalien und Witterung ein wichtiger Punkt gerade im Hinblick auf das geplante Einsatzgebiet (Verpackun-gen) des Sicherheitsmerkmals.

Freilandbewitterung (3 Monate, Nordwestausrichtung): Die eigentliche Sol-Gel-Schicht zeigte keine signifikanten Qualitätsmängel. Das Antigen konnte jedoch nicht mehr nachgewiesen werden. Durch den Regen wurde das Antigen aus der Sol-Gel Schicht ausgewaschen. Dies war zu erwar-ten, da die Wasserlöslichkeit von Antigen 1 für den eigentlichen Nachweis genutzt wird.

UV-Bestrahlung (2 Wochen, 245nm) Sowohl die Sol-Gel Schichten als auch das untersuchte Antigen (Antigen 1) wurden durch die UV-Bestrahlung nicht beeinträchtigt.

Feuchte- und Chemikalienbeständigkeit (1h, getränkter Wattebausch): Die Sol-Gel Schichten zeigten sich sehr beständig gegenüber Säuren und Wasser. Auch gegenüber Alkoholen wie sie im Druckprozess genutzt werden, konnte eine gute Beständigkeit der Sol-Gele beobachtet werden. Die Muster mit Antigen in der Sol-Gelschicht zeigten bei Wasser wie auch schon beim Bewitte-rungstest einen Verlust der Funktionalität. Bei Säuren und Alkoholen dagegen blieb die Funktionalität erhalten.



6.4 Applizierbarkeit des Sicherheitsmerkmals mit gängigen Druckverfahren

Im Folgenden sind die Untersuchungen zur Applizierbarkeit des Sicherheitsmerkmals mit gängigen Druckverfahren dargestellt.

Auftrag im Offsetdruck

Der Offsetdruck ist einer der wichtigsten Druckverfahren, weshalb die Möglich-keit, das Sicherheitsmerkmal auch mit dieser Technologie aufzubringen, unter-sucht wurde.

Klassische Sol-Gel Systeme sind aber aufgrund ihrer hydrophilen Materialien für eine Applikation mittels Offsetdruck eigentlich nicht geeignet. Daher wurde u.a. der Einsatz von Lösungsmittel mit geringer Wasserlöslichkeit (z.B. Glycerin) untersucht, die jedoch nicht die gewünschten Erfolge brachten. Statt die Sol-Gele direkt als Offsetdruckfarbe zu konzipieren, besteht jedoch auch die Möglichkeit das Sicherheitsmerkmal in den Dispersionslack einzubringen. Dieser wird am Ende des Druckprozesses auf die Drucke zur weiteren Veredelung aufgetragen. Dabei liegt der Vorteil darin, dass das Sicherheitsmerkmal zum Schluss der Veredelung aufgetragen wird. Allerdings ist hierbei die richtige Mischung Disper-sionslack-Sicherheitsmerkmal zu beachten, da der Dispersionslack nach der Trocknung eine geschlossene Oberfläche ausbildet, die jedoch für den Nachweis des Antigens kontraproduktiv ist. Des Weiteren wird die Glanzentwicklung durch die Einformulierung des Sicherheitsmerkmals in den Dispersionslack deutlich verringert (bis zu 19% Glanzverlust).

Die Probleme bzw. Nachteile beim Auftrag des Sicherheitsmerkmals überwie-gen, weshalb es sinnvoller ist, das Sicherheitsmerkmal mit anderen Druckverfah-ren aufzubringen. Als günstig erweist sich neben dem Flexodruck vor allem der Inkjetdruck, da mittlerweile viele Druckereien auf sogenannte hybride Druckver-fahren setzen, d.h. die Ergänzung ihres bisherigen Maschinenparks mit digitalen Druckmaschinen oder -modulen [26,27].

Auftrag im Flexodruck

Die hergestellten Sol-Gele können aufgrund ihrer Eigenschaften gut mittels Flexodruck auf Papier aufgebracht werden. Die Bedruckbarkeit wurde mittels “IGT F1 Bedruckbarkeitsprüfgerät zum Flexodruckverfahren“ untersucht. Das Sicherheitsmerkmal konnte auf allen Druckmustern nachgewiesen werden.



Auftrag im Inkjetdruck

Durch den Einsatz von digitalen Auftragsverfahren kann das Sicherheitsmerkmal einfach, kostengünstig und schnell auf die ausgewählte Stelle auf der Verpa-ckung aufgebracht werden.

Um die hergestellten Sicherheitsmerkmale mittels Inkjetdruck aufbringen zu können, müssen diese aber hinsichtlich ihrer dynamischen Oberflächenspan-nung optimiert werden. Bei einer Blasenlebensdauer von 200-400ms liegt die dynamische Oberflächenspannung von Inkjettinten bei ca. 30mN/m, die des Sicherheitsmerkmals bei ca. 47mN/m. Zur Verringerung der dynamischen Oberflächenspannung wurden nichtionische Tenside eingesetzt:

20

25

30

35

40

45

50

55

60

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Blasenlebensdauer [ms]

dyna

mis

che

Obe

rflä

chen

span

nung

[mN

/m]

Epson Colourless InkG3G3-C1G3-C1 0.1T Tensid 1G3-C1 0.15T Tensid 1G3-C1 0.17T Tensid 1G3-C1 0.2T Tensid 1

0,15T Tensid 1 ausreichend

Die dynamische Oberflächenspannung bei Tensideinsatzmengen von 0,15T bis 0,2T ändert sich im Bereich zwischen 200ms bis 400ms nur noch geringfügig und liegt zwischen 29-31mN/m, weshalb eine Einsatzmenge von 0,15T Tensid 1 ausreichend ist und für die Bedruckbarkeitsuntersuchungen genutzt wurden.

Das Sicherheitsmerkmal wurde mittels eines programmierbaren Druckkopfs auf offsetbedrucktes Papier aufgebracht ( Trend hybride Druckverfahren). Einge-setzt wurden Sol-Gele mit unterschiedlichen Antigeneinsatzmengen (verschiede-ne Varianten des Sicherheitsmerkmals). Alle Varianten des Sicherheitsmerkmals konnten mittels Inkjetdruck verdruckt und auf dem Papier nachgewiesen werden.



Benötigtes Auftragsgewicht

Zum Nachweis des Sicherheitsmerkmals ist nur ein sehr geringes Auftragsge-wicht notwendig ( Vorteil Inkjetdruck). Aufgrund der hohen Flächenschwankun-gen des Substrats ( ± 5 g/m²), ist die exakte Bestimmung des Strichgewichts und der Strichdicke jedoch kaum möglich, so dass nur die Möglichkeit bleibt die Strichdicke über Querschnitte im REM auszumessen.

In folgenden Bildern ist eine Variante des Sicherheitsmerkmals (G3-C20: 0,04% Antigen 1 in Sol Gel G3) bei Einsatz unterschiedlicher Rakel und Geschwindig-keiten aufgebracht worden. In Bild 1 (Auftrag: Rakel 8, Geschwindigkeit 1) lässt sich die Sol-Gel Schicht erkennen und ausmessen (667nm bzw. 858nm). In Bild 2 (Auftrag: Rakel 1, Geschwindigkeit 10) ist dies nicht der Fall. Durch die Rönt-genmikroanalyse kann jedoch nachgewiesen werden, dass sich die Sol-Gel Schicht (Pkt. 1) auf der Calciumcarbonatstrichschicht (Pkt. 2) befindet.

Bild 2Bild 2Bild 1667nm 858nm

O

Al

Si

Ca

Ca

keV0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

0 5 10

O

Al

Si

Ca

Ca

keV0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

0 5 10

2

1

2

1

Röntgenmikroanalyse – Bild 2



7 Kostenanalyse

Reines Sol-Gel System

Hinsichtlich der Kosten des reinen Sol-Gel-Systems kann auf schon vorhandene Erfahrungswerte zurückgegriffen werden. So wurde im Projekt AiF 14760 „Nano-pack“ eine ausführliche Kostenrechnung durchgeführt, die auch auf die Systeme in diesem Projekt angewendet werden kann. Dabei kommt man nach den ent-sprechenden Modifizierungen bzw. Synthesen auf einen Preis von ca. 25€ pro kg Feststoffgehalt.

Antigene Die Kosten der Antigene sind je nach Art und Reinheit sehr unterschiedlich. So kosten 1mg Antigen zwischen 0,11€ und 550€.

Komplettsystem Druckfarbe

Geht man davon aus, dass zum eindeutigen Nachweis 1mg Antigen auf 50ml Sol-Gel mit einem Feststoffgehalt von 10% (dies entspricht einer Antigen-einsatzmenge von 0,002%) benötigt wird, so ergibt sich eine Preisspanne von 0,35€ - 550€ pro 50ml Komplettsystem. Dabei macht das Antigen bis zu 99% der Gesamtkosten aus.

Kosten pro Sicherheit-merkmal bei Inkjetauftrag

Für die Berechnung wird eine Druckerpatrone mit 40ml Inhalt und einer Kapazität von 500 DIN A4 Seiten angenommen. Dabei berechnet sich die Kapazität nachdem Dr. Grauert Brief, bei dem 5% der Gesamtfläche einer DIN A4 Seite bedruckt sind. Geht man – in Anlehnung an diese Prüfmethode – davon aus, dass für ein Sicherheitsmerkmal 5% einer DIN A4 Seite bedruckt wird und nimmt man als Kosten für das Komplettsystem die in Arbeitspaket 3 berechneten Werte (die Kosten für das Tensid sind so gering, dass sie die Gesamtkosten nicht weiter beeinflussen), so ergibt sich ein Preis pro Sicherheitsmerkmal zwischen 0,0006 € - 0,88 €. Tatsächlich ist jedoch damit zu rechnen, dass weniger als 5% einer DIN A4 Seite auf einer Verpackung für das Sicherheitsmerkmal genutzt werden, so dass die Kosten weiter sinken werden.



8 Schlussfolgerungen

Sicherheits-merkmal

Präventive technische Maßnahmen gelten als ein entscheidender Faktor zum Schutz vor Produktpiraterie. Neben einer Weiterentwicklung von bereits ange-wandten Methoden ist die Entwicklung neuer und innovativer Methoden mit dem Ziel des verbesserten Produktschutzes dringend erforderlich. Nur durch fach-übergreifende Zusammenarbeit sind wirkungsvollere Methoden entwickelbar, die das Potential besitzen einen höheren Produktschutz zu bieten [09]. Genau hier setzt das entwickelte Sicherheitsmerkmal an.

Laut dem Leitfaden für die europäische Investitionsgüter-Industrie [08] sollte ein Produktschutz exklusiv sein, mit dem Erzeugnis fest verbunden sein, sichtbare und unsichtbare Elemente enthalten, einfach zu kontrollieren und zu erkennen sein, nicht zu kopieren, entfernen oder ändern sein und eine vernünftige Kosten-Nutzen Relation aufweisen. Dies trifft auf das in diesem Projekt entwickelte Sicherheitsmerkmal zu. So kann die Exklusivität des Merkmals durch die Vielzahl an einzusetzenden Proteinen bzw. Biomolekülen als Antigen gewährleistet werden ( großes Potential an maßgeschneiderten Sicherheitsmerkmalen). Dabei kann das Sicherheitsmerkmal aufgrund der Antigen-Antikörperreaktion mittels Schnelltestsystemen einfach und trotzdem hochspezifisch nachgewiesen werden. Die Proteinanalysen zum „Knacken“ des Codes der Biomoleküle sind extrem komplex und sehr teuer, so dass das Sicherheitsmerkmal nur mit sehr hohem Zeit- und Kostenaufwand zu fälschen wäre. Das Sicherheitsmerkmal ist fest mit der Verpackung verbunden und kann nicht entfernt oder geändert werden. Durch die Transparenz der Schicht kann es weiterhin mit mehreren Sicherheitsmerkmalen (sichtbar / un-sichtbar) kombiniert werden. Für den Funktionserhalt sollte das entwickelte Sicherheitsmerkmal allerdings als letztes aufgebracht werden. Trotz der großen Preisspanne, die vorwiegend auf die Kosten der Antigene zurückzuführen ist, besitzt das Sicherheitsmerkmal eine gute Kosten-Nutzen Relation, die durch den Auftrag mittels Inkjetdruck nochmals verbessert wird.

Einsatz Sol-Gel Materialien im Sicherheits-merkmal

Anorganische oxidische Nanosole bieten eine gute Möglichkeit bioaktive Rea-genzien, Biomoleküle und selbst lebende Zellen homogen in eine Metalloxid-Matrix einzubetten und als dünne biokatalytische Schichten zu applizieren. Nahezu alle Biomoleküle – weitgehend unter Erhalt ihrer Konformation sowie chemischer und physikalischer Eigenschaften – können in diese Matrix eingebet-tet werden. Dadurch sind sie externen Reagenzien und damit chemischen Reaktionen und Wechselwirkungen zugänglich. Aufgrund der Porosität der anorganischen Matrix können kleine Reagenzien ungehindert in und aus der Schicht diffundieren. [23–25]

Für das entwickelte Sicherheitsmerkmal wurden Sol-Gel Materialien auf SiO2-Basis ausgesucht. Verschiedene Silane (modifziert / unmodifiziert) wurden sowohl in 1-Komponenten- als auch 2-Komponenten- Systemen eingesetzt und auf ihre Eignung für den Einsatz im Sicherheitsmerkmal untersucht. Aufgrund der durchgeführten Untersuchungen konnten relevante Eigenschaften der Druckfar-be definiert werden. Ausschlaggebend für den Einsatz der Sol-Gele im Sicher-heitsmerkmal waren neben der Lagerstabilität, die Verträglichkeitsuntersuchun-gen sowie erste Aussagen zur Applizierbarkeit der Sol-Gel Systeme.



Sicherheits-merkmal als Druckfarbe

Für die Druckfarbe wurden verschiedene Antigen-Antikörper Systeme ausge-wählt und in ausgesuchte Sol-Gel Materialien eingebracht. Die Druckfarben wurden auf die Verträglichkeit „Antigen – Sol-Gel“ aber auch auf die Lagerstabili-tät der Komplettsysteme, deren Applizierbarkeit (geeignete Druckverfahren) sowie deren Funktionalität (Erhalt der Markerwirkung) hin untersucht und opti-miert.

Die applizierten Sicherheitsmerkmale wurden ebenfalls untersucht. Es zeigte sich, dass die Markerwirkung bei Antigen 1 nach Auftrag der Druckfarbe mindes-tens 4 Monaten erhalten bleibt. Weiterhin zeigten die Schichten sowie die Funktionalität eine gute Beständigkeit gegenüber Chemikalien und UV-Strahlung. Auch kann das Sicherheitsmerkmal auf schon bedruckte Flächen aufgebracht werden, ohne diese zu beeinträchtigen oder zu beschädigen. Es eignet sich somit hervorragend zum Auftragen auf schon vorhandene Systeme, wodurch der Produktschutz weiter erhöht werden kann.

Aufbauend auf den Ergebnissen konnten Erkenntnisse zur optimalen Applikation und der damit verbundenen optimalen Funktionalität des Sicherheitsmerkmals erlangt werden.

Fazit Innerhalb des Projektes wurde ein kostengünstiges und schwierig zu kopieren-des Sicherheitsmerkmal als Druckfarbe auf Basis der Antigen-Antikörper Reakti-on entwickelt, das durch seinen einfachen, hochspezifischen und schnellen Nachweis besticht. Es wurden relevante Eigenschaften für die Entwicklung eines Sicherheitsmerkmals als Druckfarbe definiert. Konzepte zur Herstellung von Sicherheitsmerkmalen als Druckfarben (Einsatz weiterer Biomoleküle als Anti-gen) können aufbauend auf den Ergebnissen erstellt werden.

Ansprechpartner für weitere Informationen: Dipl.-Ing. Sabine Hottmann Dipl.-Ing. Dirk Fiedler Tel. 03529 / 551-663 Tel. 03529 / 551-663 [email protected] [email protected] Papiertechnische Stiftung PTS Pirnaer Straße 37 01809 Heidenau Tel. 03529 / 551-60 Fax 03529 / 551-899 e-Mail: [email protected] www.ptspaper.de



Literaturverzeichnis

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