Forscherinnen der Universit\u00e4t Siegen haben die weltweit ersten Nanopartikel entwickelt, die sowohl magnetische Eigenschaften besitzen, als auch nachleuchtend sind. Das Anwendungspotenzial ist gro\u00df: Mithilfe der neuartigen Partikel k\u00f6nnten zum Beispiel Krebszellen im K\u00f6rper entdeckt oder die konkrete Verbreitung von Feinstaub in Organen und damit deren Giftigkeit nachgewiesen werden.<\/p>\n
Nanopartikel sind kleinste Teilchen mit einem Durchmesser von unter 0,0000001 Metern, also 100 Nanometer, die f\u00fcr das menschliche Auge nicht ohne leistungsstarke Mikroskope sichtbar sind. Ihre Gr\u00f6\u00dfe hat entscheidende Vorteile: Im medizinischen Bereich zum Beispiel k\u00f6nnen sie als Biomarker in die Blutbahn injiziert werden. W\u00e4ren die Partikel zu gro\u00df, w\u00fcrden sie nicht durch die Zellw\u00e4nde passen und in der Blutbahn sofort zu Boden sinken. Bei Nanopartikeln ist das anders: aufgrund ihrer geringen Gr\u00f6\u00dfe \u201eschweben\u201c sie in der Blutbahn. Auch Feinstaub sind kleine Partikel mit solcher Gr\u00f6\u00dfenordnung. \u201eDie Forschung und Entwicklung von Nano-Materialien ist ein Thema von weltweit zunehmender Bedeutung. Die neuen Eigenschaften dieser Materialien werden in vielen Bereichen, wie der Energieumwandlung und der Sensorik, zum Einsatz kommen\u201c, sagt Prof. Dr. Claudia Wickleder, Lehrstuhl f\u00fcr Anorganische Chemie und Mitglied im Center for Micro- and Nanochemistry and Engineering (C\u00b5) an der Uni Siegen.<\/p>\n
Leuchtende, magnetische Nanopartikel gibt es schon seit einigen Jahren. Sie leuchten, wenn man sie mit Licht bestrahlt. Sobald man die Lichtquelle aber wegnimmt \u2013 zum Beispiel, weil man sie in den K\u00f6rper injiziert \u2013 leuchten sie nicht mehr. Nachleuchtende Magnete hingegen haben den Vorteil, dass sie auch in Dunkelheit weiterleuchten. Sie funktionieren wie die lumineszierenden Sterne im Kinderzimmer, die f\u00fcr einige Zeit weiterleuchten, nachdem man das Licht ausgeschaltet hat. F\u00fcr Anwendungen in der medizinischen Sensorik sind nachleuchtende Materialien sehr gut geeignet, wie die Forscherinnen der Universit\u00e4t Siegen, Dr. Huayna Terraschke (ehemalige Doktorandin an der Uni Siegen und mittlerweile Juniorprofessorin an der Universit\u00e4t Kiel) und Prof. Dr. Claudia Wickleder herausfanden. Das Problem bei nicht-nachleuchtenden Sensoren ist, dass sie mit UV-Strahlung zum Leuchten gebracht werden m\u00fcssen, welche nicht durch die Haut dringt. Setzt man nachleuchtende Stoffe ein, kann man diese durch UV-Licht anregen bevor man sie injiziert, und danach leuchten sie weiter. Die magnetischen Eigenschaften sind f\u00fcr den Einsatz in medizinischen Verfahren wie der Magnetresonanztomographie (MRT) n\u00f6tig.<\/p>\n
Die Herausforderung dieser speziellen Multifunktionalit\u00e4t: Magnetische Stoffe heben normalerweise das Nachleuchten auf. Bisher existierten solche Nanopartikel deshalb schlicht nicht. Die Siegener Forschungsgruppe um die Chemikerin Prof. Dr. Claudia Wickleder hat dieses Problem gel\u00f6st. Zwischen dem magnetischen Kern und der nachleuchtenden Au\u00dfenschicht f\u00fcgten sie eine Mittelschicht hinzu. \u201eDiese Schicht wie auch der Kern und die H\u00fclle durfte ausschlie\u00dflich aus Stoffen bestehen, die nicht giftig f\u00fcr Lebewesen sind\u201c, sagt Prof. Dr. Wickleder. \u201eDenn sonst w\u00e4ren medizinische Anwendungen nicht m\u00f6glich.\u201c Die Forscherinnen fanden heraus, dass sich das Mineral Eisenoxid (Magnetit) f\u00fcr den Kern, Siliciumdioxid (SiO2) f\u00fcr die Zwischenschicht und Sr-Aluminat dotiert mit Seltenen Erden f\u00fcr die H\u00fclle sehr gut eignen.<\/p>\n
Die n\u00e4chste Herausforderung bestand darin, die Gr\u00f6\u00dfe der Nanopartikel so klein wie m\u00f6glich zu halten. Daf\u00fcr musste jede der drei Schichten \u2013 Kern, Zwischenschicht und H\u00fclle \u2013 so klein und d\u00fcnn wie m\u00f6glich hergestellt werden, das war die Herausforderung. Der Kern aus Eisenoxid allein misst 15 Nanometer Durchmesser. Zum Vergleich: Eine 1-Cent-M\u00fcnze ist zehn Millionen Mal so gro\u00df. Mit der Zwischenschicht bel\u00e4uft sich der Durchmesser auf 25 Nanometer und mit der H\u00fclle auf 67 Nanometer. \u201eF\u00fcr den praktischen Einsatz, zum Beispiel in der Medizin oder der Biosensorik, m\u00fcssten die Partikel allerdings noch kleiner und vor allem das Nachleuchten effizienter werden\u201c, sagt Wickleder.<\/p>\n
In der Biosensorik k\u00f6nnten die Partikel dann zum Beispiel eingesetzt werden, um an Krebszellen anzudocken. Ein einzelner nachleuchtender Nanopartikel alleine w\u00e4re allerdings zu klein, um im K\u00f6rper sichtbar zu sein. Hier kommt die magnetische Eigenschaft ins Spiel. Durch \u00e4u\u00dfere Magnete k\u00f6nnen die nachleuchtenden Nanopartikel im K\u00f6rper konzentriert werden, sodass sie leicht nachgewiesen werden k\u00f6nnen.<\/p>\n
Mit den Kooperationspartnern Dr. Stefan Lienenklaus und Dr. Siegfried Wei\u00df von der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) testeten die Siegener Forscherinnen mit einem Feinstaub-Experiment die neuen Nanopartikel an M\u00e4usen \u2013 mit Erfolg. Die Nanopartikel wurden so modelliert, dass sie Feinstaub in der Luft imitierten. Die M\u00e4use wurden diesem Feinstaub ausgesetzt. Durch die nachleuchtenden Magnete konnten die ForscherInnen genau nachvollziehen, in welchen Organen sich der Feinstaub festsetzte. Das Leuchten konnte durch bildgebende Untersuchungen sichtbar gemacht werden. Dabei konnte au\u00dferdem gezeigt werden, dass die eingesetzten Nanopartikel im Gegensatz zu anderen verwendeten Materialien v\u00f6llig ungiftig f\u00fcr die M\u00e4use sind, also auch noch einen Beitrag zum Tierschutz liefern.<\/p>\n
Auch im nicht-medizinischen Bereich k\u00f6nnen die neuartigen Nanopartikel Anwendung finden. Dabei k\u00f6nnten sie z.B. als Qualit\u00e4tskontrolle f\u00fcr Stahl eingesetzt werden, um kleinste, nicht sichtbare Risse sichtbar zu machen, welche die Stabilit\u00e4t von Stahl deutlich mindern. Dies ist m\u00f6glicherweise auch f\u00fcr die lokalen Firmen der Stahl-verarbeitenden Industrie ein relevantes Thema und kann zu Kooperationen mit der Uni Siegen f\u00fchren.<\/p>\n
Anfang dieses Jahres haben die ForscherInnen ihre patentierte Erfindung in der renommierten Fachpublikation \u201eChemistry \u2013 A European Journal\u201c ver\u00f6ffentlicht:\u00a0https:\/\/chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com\/doi\/full\/10.1002\/chem.201904551<\/a><\/p>\n