18.04.2019 - Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Nano-3D-Drucken für medizinische Anwendungen

Personalisierte Wirkstoffabgabe oder nanometergroße robotische Systeme könnten ein Schlüsselkonzept für zukünftige medizinische Anwendungen darstellen. In diesem Zusammenhang haben Wissenschaftler um David Ng (Arbeitskreis Prof. Tanja Weil) vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) kürzlich eine Technologie entwickelt, um die Formen von Polymeren und polymeren Nanopartikeln mit Hilfe von DNA-Molekülen zu steuern. Sowohl in 2D als auch in 3D können präzise Muster von Strukturen aus biokompatiblen Polymermaterialien basierend auf einer aus DNA bestehenden Vorlage entworfen und konstruiert werden.

Im Bereich von einem Millionstel Millimeter, dem Größenbereich eines Virus, werden synthetische Nanomaterialien als nächster Meilenstein in der Medizintechnik erwartet. Partikel dieser Größe sind in der Lage, sich gut im menschlichen Körper zu verbreiten und gleichzeitig der Ausfilterung durch die Niere zu entgehen. Sei es die „magische Medikamentenkapsel“ oder den Bau von "Nanomaschinen" besteht die primäre Einschränkung in der Fähigkeit Materialien innerhalb dieses Größenregimes zu manipulieren und zu formen. Ohne spezifische Techniken zur Anpassung und Kontrolle der Formen ist ein Vorantreiben der Forschung in diesem Gebiet schwierig.

Mit DNA quasi als Gussform und Dopamin/Polyethylenglykol als Material haben die Wissenschaftler des MPI-P eine Technologie entwickelt, um verschiedene polymere Formen mit einer Auflösung herzustellen, die in der Nanotechnologie bisher als äußerst schwierig erachtet wurde. Während das ungiftige Polyethylenglykol bereits in der Kosmetik oder in medizinischen Anwendungen weit verbreitet ist, ist Dopamin ein Neurotransmitter, der natürlich im menschlichen Körper vorkommt. Mit diesen biokompatiblen Komponenten ist ein Prototyp zum Bedrucken von 2D- und 3D-Nanopartikeln mit unterschiedlichen Mustern möglich geworden.

Die Wissenschaftler leiteten die Technik von DNA Origami ab, einem Verfahren, das DNA-Stränge in unterschiedliche Formen verwickelt. Sie stellten rechteckige DNA-Blätter mit einer Größe von 100 Nanometer auf 70 Nanometer her und fügten molekulare Anker hinzu, die als adressierbare Ankerpunkte für das Wachstum von Polymeren dienen. Da diese Anker in jedem beliebigen Muster auf dem DNA-Blatt positioniert werden können, kann die Form des Polymerwachstums basierend auf der Anordnung festgelegt werden. Als Beweis der Funktionsfähigkeit dieses Konzeptes wurden Polymerstrukturen wie Linien und Kreuze aus den DNA/Ankerpositionen am Origami geformt und im letzten Schritt wieder von dem DNA-Material abgelöst.

Auf der Grundlage dieser Technologie gingen die Wissenschaftler noch einen Schritt weiter, indem sie das DNA-Rechteck zu einem Zylinder rollten und so die Positionierung der Anker im dreidimensionalen Raum ermöglichten. Mit diesem Zylindermodell strukturierten sie die Innenkontur mit Polydopamin und dekorierten die Außenfläche in einem schrittweisen Prozess mit Polyethylenglykol. Auf diese Weise zeigen sie, dass die inneren und äußeren Eigenschaften des Zylinders unabhängig voneinander festgelegt werden können, was zur Fähigkeit führt, dreidimensionale Präzisionskomponenten z. B. für Nanomaschinen herzustellen.

In Zukunft wollen die Wissenschaftler gemeinsam mit Experten aus der Medizintechnik Medikamente in diese synthetischen Nanoformen füllen, wobei jeder von ihnen im menschlichen Körper abhängig von der Form anders transportiert wird. Ziel ist es, den Einfluss von Form und Position biologisch aktiver Moleküle zu verstehen und anzuwenden, um eine neue Generation der Nanomedizin zu schaffen.

Fakten, Hintergründe, Dossiers

Mehr über MPI für Polymerforschung

  • News

    Kombinatorische Krebstherapie

    Auf der Suche nach Wirkstoffen gegen Krebs stehen immer häufiger Kombinationstherapien im Mittelpunkt. Wissenschaftler aus Deutschland und China haben jetzt Chemotherapie mit photodynamischer Therapie kombiniert. Alle Wirkstoffe werden in einer Nanokapsel mit Proteinhülle verkapselt und gem ... mehr

    Wenn Ionen an ihrem Käfig rütteln

    In vielen Bereichen spielen „Elektrolyte“ eine wichtige Rolle: Sie sind bei der Speicherung von Energie in unserem Körper wie auch in Batterien von großer Bedeutung. Um Energie freizusetzen, müssen sich Ionen – geladene Atome – in einer Flüssigkeit, wie bspw. Wasser, bewegen. Bisher war jed ... mehr

    Aus eins mach zwei – Teilung künstlicher Zellen

    Die Erfolgsgeschichte des Lebens auf der Erde beruht auf der erstaunlichen Fähigkeit von lebenden Zellen, sich in zwei Tochterzellen zu teilen. Während eines solchen Teilungsprozesses muss die äußere Zellmembran eine Reihe von Formänderungen durchlaufen, die schließlich zur Membranteilung f ... mehr

Mehr über Max-Planck-Gesellschaft

  • News

    Erster programmierbarer Photokatalysator entwickelt

    Forscher am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung haben einen nachhaltigen und „intelligenten Photokatalysator“ entwickelt. Die Besonderheit: Als sogenanntes smart material kann er zwischen Lichtfarben (Blau, Rot und Grün) unterscheiden und ermöglicht als Antwort darauf ... mehr

    Wirkmechanismus des potenziellen Corona-Medikaments Molnupiravir entschlüsselt

    Die USA sicherten sich kürzlich 1,7 Millionen Dosen eines Wirkstoffs, der Covid-19-Patienten helfen könnte. Molnupiravir bremste in vorläufigen Studien das Coronavirus SARS-Cov-2 bei seiner Vermehrung aus. Forschende am Göttinger Max-Planck-Institut (MPI) für biophysikalische Chemie und der ... mehr

    Zelluläre Filamente im Takt

    Ein neues Modell beschreibt die Koordination schlagender Flimmerhärchen und erlaubt es ihr funktionelles Verhalten vorherzusagen. Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) untersuchten die Bildung metachronischer Wellen in Gruppierungen von Zilien und die ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von: