Laser weist Molekülen den Platz an
Wie mit einem molekularen Baukasten könnte man etwa die chemischen Eigenschaften eines Materials mikrometergenau bestimmen. Einsatzgebiete wären die Herstellung von künstlichem biologischen Gewebe, Solarzellen oder mikroskopisch kleiner Labors.
Die Studie:
"3D Photografting: Selective Functionalization of 3D Matrices Via Multiphoton Grafting and Subsequent Click Chemistry" von Aleksandr Ovsianikov und Kollegen ist am 15.8. im Journal "Advanced Functional Materials" erschienen.
Wasserhaltiges Gel als Grundgerüst
Mit der Mikrostrukturierung mittels Femtosekundenlaser - einem Speziallaser der Lichtimpulse im Billiardstel-Sekunden-Bereich aussendet - beschäftigen sich die Forscher an der TU schon seit einiger Zeit. In der Vergangenheit machten die Materialwissenschaftler vor allem mit neuartigen 3D-Druckern auf sich aufmerksam."Dieser Ansatz ist ähnlich, da hier auch die gleiche experimentelle Ausrüstung benutzt wird", so Aleksandr Ovsianikov vom Institut für Werkstoffwissenschaften gegenüber der APA.
3D-Muster, erzeugt durch Photografting (180 µm Breite). Grün fluoriszierende Moleküle werden in einem Hydrogel fixiert.
- Video zum 3D Photografting, YouTube
Es sei aber nicht so, dass eine Struktur von Grund auf aufgebaut wird, da ein solcher Ansatz unwirtschaftlich wäre. Die Forscher gehen von einem bestehenden dreidimensionalen Gerüst, der Matrix, aus, dessen Eigenschaften sie in Kombination mit dem Laser gezielt nutzen, um genau an den gewünschten Stellen bestimmte Moleküle einzusetzen.
Als Matrix fungiert ein wasserhaltiges Gel, auf dem sich fremde Moleküle gleichmäßig verteilen können. Das Hydrogel besteht aus großen Molekülen, die in einem sehr lockeren Netzwerk angeordnet sind. Durch die Lücken in der Matrix können sich andere Moleküle bzw. sogar ganze Zellen bewegen.
Aktivierung von Molekülen
Die kleinen Moleküle, die eingebaut werden sollen, absorbieren das Licht des Lasers und wandeln sich in sogenannte Radikale um. Sie haben dann ein freies Elektronenpaar und sind damit besonders reaktionsfreudig. Diese Veränderung findet genau an den Stellen statt, wo der Laser am stärksten fokussiert ist, mit dem Effekt, dass sich das Molekül sehr rasch in das Netzwerk des Hydrogels einbaut.
Da die Wissenschaftler sehr genau bestimmen können, wo sie den Laser fokussieren, stellen sie auch sicher, dass sich die Moleküle genau dort anlagern, wo sie gebraucht werden. "Dadurch, dass wir mit dem Laser hineinleuchten, können wir die Moleküle aktivieren, sodass sie sich dort an das Hydrogel binden", wie Ovsianikov erklärte. Der Rest wird einfach entfernt und den Forschern bleibt dann lediglich die gewünschte Abfolge der Substanzen übrig. Dieser Scanvorgang laufe im Vergleich zu anderen Verfahren auch sehr schnell ab.
Verschiedenen Anwendungsideen
Nach der Entwicklung der Methode, wird es für die Forscher nun auch darum gehen, das neue Verfahren auf bestimmte Anwendungen hin zu erproben. Einsetzbar wäre sie etwa in der Erzeugung von biologischem Gewebe, da auch Zellen genaue Vorgaben brauchen, um ein Gewebe zu formen. In natürlichen Geweben wird das durch die "extrazelluläre Matrix" gewährleistet - einer Struktur, die den Zellen durch bestimmte Aminosäure-Sequenzen signalisiert, wo sie andocken müssen.
"Wir haben konkret noch keine Zellen oder Gewebe draufgesetzt. Es ging darum, dass die Technologie Möglichkeiten bietet, lokal Biomoleküle oder auch andere Moleküle anzubinden, um damit den Zellen zu signalisieren, wo sie sich ansiedeln sollen", so der Forscher, der in der Arbeit mit Kollegen des TU-Instituts für Angewandte Synthesechemie kooperiert hat.
Neben Anwendungen im Bio-Engineering könnte "3D-Photografting" etwa auch für die Herstellung von Solarzellen dienen. Auch in der Sensorik versprechen sich die Forscher viel von der Technologie. Punktgenau könnte man damit Moleküle anordnen, die bestimmte chemische Substanzen binden und sie damit nachweisbar machen. Ein mikroskopisches "Labor im Chip" wäre somit möglich, heißt es seitens der TU.
science.ORF.at/APA
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