Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Tausendsassa für die Zellzüchtung

09.01.2012
Eine poröse Aluminiumstruktur ermöglicht gesteuertes Wachstum von Zellen und erhält durch Polymerbeschichtungen oder eingebrachte Wirkstoffe vielfältige Funktionen

Implantate, die Wirkstoffe speichern und ans umgebende Gewebe abgeben oder sich selbst von Bakterienbelag befreien; aktive Oberflächen, die das Wachstum bestimmter Zellarten zu bestimmten Orten auf der Oberfläche lenken und somit das Züchten von komplexen Geweben, vielleicht sogar ganzen Organen ermöglichen:


Ein Aluminiumschwamm mit vielen Funktionen: Die grün eingefärbte und in der Mitte gespiegelte Aufnahme eines Rasterelektronenmikroskops zeigt die poröse Struktur, die sich einfach herstellen lässt, Zellen Halt bietet, mit einer Beschichtung versehen und Wirkstoffen beladen werden kann. © Ekaterina Skorb/MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung

Diesen Zielen sind Materialforscher des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm nun einen entscheidenden Schritt näher gekommen. Sie haben ein Material entwickelt, das gewebeverträglich und mechanisch belastbar ist, gleichzeitig das Wachstum von Zellen sowohl in der Zeit als auch räumlich steuern und Wirkstoffe in seiner porösen Struktur speichern und bei Bedarf abgeben kann.

Die Golmer Wissenschaftler um Katja Skorb haben in Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Bayreuth eine simple Aluminiumoberfläche in einen Tausendsassa für biologische Anwendungen verwandelt. Das Material bietet Halt für Zellen, speichert Wirkstoffe, die bei Bedarf abgegeben werden können, ermöglicht ein gemustertes Wachstum von Zellen und reinigt sich selbst.

Die Forscher bestrahlen die Aluminiumoberfläche in einem Wasserbad mit Ultraschall, wodurch sich eine ungefähr 200 Nanometer (Millionstel Millimeter) dicke schwammähnliche Struktur entwickelt, die mit dem darunterliegenden Aluminium fest verbunden bleibt. Der Ultraschall erzeugt Hitze und chemisch reaktive Moleküle aus dem Wasser, die mit der Oberfläche reagieren. So bildet sich die poröse Struktur. Diese bietet ausgezeichneten Halt für Zellen oder Schutzschichten. Darüber hinaus lassen sich in den Poren Wirkstoffe, etwa Antiseptika, Desinfektionsmittel oder Medikamente, speichern.

Die Golmer Forscher zeigten, dass sich auf ihrer porösen Struktur Bakterien in definierten räumlichen Mustern und zeitlich gesteuert züchten lassen. Zu diesem Zweck beschichteten sie die poröse Aluminiumoberfläche mit einem Kunststoff, der Mizellen bildet. Dabei handelt es sich um winzige Kunststoff-Kapseln, die aus einem Kern, einer Schale und einer Korona bestehen, welche die Schale wie eine zweite Hülle umgibt. Die Korona besteht aus fadenförmigen Molekülen, die wie die Stacheln eines Igels flach an der Schale anliegen oder strahlenförmig von ihr wegweisen können. Ersteres tun sie bei einem hohen und letzteres bei einem niedrigen pH-Wert der Lösung, in der sich die Mizellen befinden. Denn bei sinkendem pH-Wert verliert die Schale ihre negative Ladung. Dann haften die positiv geladenen Koronafäden zum einen nicht mehr an ihr. Zum anderen bewirkt die positive elektrische Ladung der Mizellen, dass diese sich gegenseitig abstoßen und strahlenförmig ausrichten.

Selbstreinigung durch eine pH-empfindliche Kunststoffbeschichtung
Über diesen Mechanismus kontrollierten die Golmer Forschern die Bindung von Bakterien an die Aluminiumoberfläche: Sie tauchten Aluminiumproben mit poröser Oberfläche in eine Bakterienlösung. Im Mikroskop war zu sehen, dass sich die Mikroorganismen auf der Oberfläche niederließen. Durch ihren Stoffwechsel versauerten die Bakterien die Lösung, senkten also ihren pH-Wert. Dadurch streckten sich die Fadenmoleküle der Mizellen mit den Mikroorganismen – ähnlich wie ein Igel seine Stacheln aufstellt. Daraufhin lösten sich die Milchsäurebakterien von der Oberfläche. „Das ist ein spektakulärer Selbstreinigungs-Effekt, der bei einem ganz bestimmten pH-Wert ausgelöst wird“, sagt Katja Skorb.

Das Team um Skorb demonstrierte außerdem, wie der Aluminiumschwamm mit einem Wirkstoff beladen werden kann. Ebenfalls mithilfe von Ultraschall brachten die Forscher Silber in die Poren ein. Bei Proben, die Silber enthielten, starben die anhaftenden Milchsäurebakterien ab. „Dieser Effekt zeigt deutlich die antimikrobielle Aktivität der porösen Oberfläche“, erläutert Skorb. Andere Wirkstoffe lassen sich in die Poren füllen und bei Bedarf gezielt freisetzen, etwa durch eine Änderung des pH-Wertes, der Temperatur, eines magnetischen oder elektromagnetischen Feldes.

Auch wie sich die Anhaftung der Bakterien räumlich regulieren lässt, untersuchten die Golmer Forscher. In einem weiteren Versuch beschichteten sie die Aluminiumoberfläche streifenförmig mit Teflon. Anschließend brachten sie die Mizellen auf die Oberfläche. Nach der Entfernung des Teflons blieb ein streifenförmiges Muster der Mizellen zurück, quasi das Negativ des vorherigen Teflonmusters. „So entsteht eine Oberfläche, auf der die Hafteigenschaften für die Bakterien räumlich variieren“, erläutert Skorb. Bei Erniedrigung des pH-Wertes lösten sich die Bakterien nämlich nur von den mit Mizellen besetzten Streifen ab, wie die Forscher unter dem Mikroskop beobachteten. In Zukunft könnten solche Oberflächen dazu dienen, komplexe Gewebestrukturen zu züchten, sagt Skorb. Dies könne etwa bei der Zucht von Organen eine Rolle spielen.

Wechselwirkungen zwischen Zellen und der Oberfläche lassen sich steuern
Der Selbstreinigungseffekt wiederum könne zum Schutz von biokompatiblen Oberflächen, etwa bei Implantaten, genutzt werden. „Ein Vorteil besteht darin, dass die Energie dafür von den Bakterien selbst geliefert wird und nicht von außen zugeführt werden muss“, sagt Skorb. Weitere Anwendungsmöglichkeiten könnten Fäulnis verhütende Oberflächen sein. Auch für die Stammzellforschung sei die Technik interessant, sagt die Chemikerin. „Insgesamt zeichnet sich unsere dreidimensionale Oberflächenstruktur sowohl durch ihre raum- als auch ihre zeitabhängige Funktionalität aus“, sagt Skorb. Darüber hinaus verbrauche die Methode weniger Energie und umweltschädliche Chemikalien als andere Verfahren zur Herstellung poröser Oberflächen.

Die Golmer Forscher planen, die Funktionalität des Materials künftig auch über andere Mechanismen als den pH-Wert zu steuern. So ließen sich für die Beschichtung auch temperaturempfindliche Polymere verwenden. Eine derart beschichtete dreidimensionale Schwammstruktur könnte als Temperatursensor dienen, der räumliche Temperaturunterschiede registriert.

Denkbar ist auch, die porösen Oberflächen künftig als intelligente multifunktionelle Wirkstoff-Depots einzusetzen. „Das ist besonders vielversprechend für medizinische Anwendungen, bei denen die Wechselwirkung von Zellen mit Oberflächen über einen längeren Zeitraum sehr gezielt und lokal gesteuert werden muss“, sagt Skorb. Dies sei etwa bei Implantaten, in der Stammzellforschung und in der Sensorik der Fall. So wollen die Forscher nun das Wachstum von Stammzellen auf der porösen Aluminiumstruktur untersuchen. „Moderne Entwicklungen der Materialwissenschaften können also auch in den Lebenswissenschaften erheblich an Bedeutung gewinnen“, resümiert Skorb.

Ansprechpartner
Dr. Ekaterina Skorb
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam
Telefon: +49 331 567-9233
E-Mail: skorb@mpikg.mpg.de
Originalveröffentlichung
Julia Gensel, Tina Borke, Nicolas Pazos Pérez, Andreas Fery, Daria V. Andreeva, Eva Betthausen, Axel H. E. Müller, Helmuth Möhwald und Ekaterina V. Skorb
Cavitation engineered 3-D sponge networks and their application in active surface construction

Advanced Materials, 3. Januar 2011, doi: 10.1002/adma.201103786

Dr. Ekaterina Skorb | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/4771670/Funktionsmaterial_Zellzuechtung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Ein Quantenlineal für Biomoleküle
22.08.2017 | Universität Wien

nachricht Wie ein Bakterium von Methanol leben kann
22.08.2017 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Ein Quantenlineal für Biomoleküle

22.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Prostatakrebs: Bluttest sagt Tumorresistenz vorher

22.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

IVAM-Marketingpreis würdigt zum zehnten Mal überzeugendes Technologiemarketing

22.08.2017 | Förderungen Preise