3D-Aufbau – Mikropartikel aus drei chemisch unabhängigen Patches

Deutsch-amerikanische Forscher haben Mikropartikel synthetisiert, deren Oberfläche aus drei abgegrenzten Arealen (Patches) besteht, die mit drei unterschiedlichen Molekülen bestückt werden können / Bildquelle: Wiley-VCH

Mikromaschinen und Nanoroboter, multifunktionelle Wirkstofftransporter und Matrizen für die Gewebezüchtung – für diese und viele andere Anwendungen wären dreidimensionale Mikrostrukturen wünschenswert, die verschiedene (bio)chemische Liganden richtungsabhängig präsentieren. Ein deutsch-amerikanisches Team berichtet jetzt in der Zeitschrift Angewandte Chemie über die Herstellung von Mikropartikeln, deren Oberfläche aus drei abgegrenzten Arealen (Patches) besteht, die mit drei unterschiedlichen (Bio)molekülen bestückt werden können.

Während die räumlich gesteuerte Präsentation chemischer und biologischer Liganden für zweidimensionale Substrate schon gut etabliert ist, gibt es bisher nur sehr wenige Verfahren für die räumlich kontrollierte Dekoration dreidimensionaler Objekte, wie Mikropartikel, so Jörg Lahann (University of Michigan, USA, sowie Karlsruher Institut für Technologie). Dabei wären solche Gebilde für viele verschiedene Anwendungen von hohem Interesse, zum Beispiel die gesteuerte Interaktion von Partikeln mit biologischen Zellen für die Gewebezüchtung. Organe sind dreidimensionale Gebilde aus verschiedenen Zelltypen. Für eine Züchtung sind Träger notwendig, die eine dreidimensional gerichtete Ansiedlung dieser Zelltypen anregen. Auch zukünftige technische Anwendungen, wie Mikromaschinen, brauchen 3D-Teilchen, die einen selbstorganisierten Aufbau dreidimensionaler Strukturen steuern. Und wenn beispielsweise ein Areal als Antwort auf einen Stimulus an- und wieder abschwellen kann, lassen sich bewegliche Miniatur-Bauteile herstellen, z.B. für Sensoren, Roboterarme oder schaltbare Wirkstofftransporter.

Lahann und seine Kollegen haben nun eine Methode entwickelt, um drei chemisch unterschiedliche Patches auf demselben Mikropartikel zu erhalten. Das gelang durch elektrohydrodynamisches Co-Jetting, einen Prozess, bei dem die Forscher drei verschiedene Polymerlösungen durch parallele Kapillaren pumpen. Ein elektrisches Feld beschleunigt die ausgestoßene Flüssigkeit, die dabei stark gestreckt wird. Gleichzeitig verdunstet das Lösungsmittel und lässt eine Mikrofaser übrig, die aus drei chemisch verschiedenen Kompartimenten besteht. Durch Schneiden der Faser stellte das Team feine Mikropartikel her, die sich dann ebenso aus drei chemisch verschiedenen Segmenten zusammensetzen.

Die Forscher wählten als Ausgangsmaterial drei bioabbaubare Polymere auf Milchsäurebasis, die mit drei verschiedenen chemischen Ankergruppen (so genannten Klick-Funktionalitäten) ausgestattet waren. In orthogonalen, das heißt sich nicht gegenseitig beeinflussenden Oberflächenreaktionen können dann unterschiedliche Liganden an die Ankergruppen geknüpft werden, etwa verschiedene Biomoleküle. Mithilfe fluoreszenzmarkierter Biomoleküle wiesen die Wissenschaftler mikroskopisch nach, dass tatsächlich drei verschiedene Patches auf demselben Mikropartikel vorhanden waren. „Für eine praktische Anwendung müssen die Partikel allerdings noch ein Stück kleiner werden – das nächstes Etappenziel, so Lahann.

Originalveröffentlichung: Angewandte Chemie, http://dx.doi.org/10.1002/ange.201310727

www.gdch.de