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Mikro- und Nanotechnologie: Die Zukunft ist klein


Ein Megatrend, der in allen Lebensbereichen und besonders in der Medizin in den kommenden Jahren zu revolutionären Veränderungen führen wird, ist die Miniaturisierung. Insbesondere die Skalierung im Nanobereich eröffnet in der Medizintechnik ein neues und breites Anwendungsspektrum.



Definiert wird die Nanotechnologie über die Dimension: Ist mindestens eine Richtungsdimension einer funktionalen Strukturgrösse kleiner als 100 Nanometer, zählt ein Material oder eine Komponente zur Nanotechnologie. An dieser Stelle lohnt sich ein Grössenvergleich. Eine menschliche Zelle wie etwa ein weisses Blutkörperchen hat eine Grösse zwischen 7 und 20 Mikrometer, das entspricht 7000 bis 20000 Nanometern. Ein Glukosemolekül ist etwa einen Nanometer gross, Viren um die 100 Nanometer. Während Mikrotechnologie noch greifbar scheint, entziehen sich die nochmals viel kleineren Nanopartikel oder gar Nanobots fast der menschlichen Vorstellungskraft. Wir können sie nicht sehen, nicht anfassen, und sollen sie dennoch irgendwann in der Zukunft in unserem Körper wichtige Aufgaben erledigen lassen. Wie weit sind die Forscher mit dieser Technologie?

Stefan Kaierle, Leiter des Geschäftsfeldes Additive Fertigung des Laserzentrums Hannover, LZH

Nano- und Mikrobots
Wenn man sich in der Schweizer Forschungslandschaft mit Mikro- und Nanotechnologie beschäftigt, führt kein Weg vorbei an Bradley Nelson. Der ETH-Professor für Robotik und intelligente Systeme erforscht und entwickelt Mikro- und Nanosysteme. Professor Nelson studiert die Konzepte des natürlichen Mikrokosmos, um sie in seinen Forschungsprojekten anzuwenden, beispielsweise die Fortbewegung und Formveränderung von Einzellern. Bereits zum zweiten Mal erhielt er 2017 einen Advanced Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC). Mit den Forschungsgeldern möchte er Mikroroboter für medizinische Anwendungen entwickeln, die aus weichen, magnetischen Hydrogelen gefertigt werden und die ihre Form verändern können 1.

Magnetfeldgenerator von MagnebotiX integriert mit einem Arbeitsmikroskop.

Neben den Mikrorobotern ist aber auch die Nanorobotik Gegenstand der Forschung von Professor Nelson und seinem Forscherteam. Aktuelle Forschungsthemen sind weiterhin Mikrocomputerunterstützte Operationstechniken, die magnetische Manipulation von Nano-und Mikrorobotern, Fortbewegungstechniken, drahtlose Energieübertragung, die Elektrostimulation von biologischen Materialien und die Charakterisierung von Nano- und Mikrostrukturen 2.



Magnetische Steuerung von Mikrosystemen


Wenn ein Mikrosystem oder -bot im menschlichen Körper zur Anwendung kommt, muss man ihn steuern. Zwei ETH-Spinn-offs aus der Forschergruppe um Bradley Nelson beschäftigen sich genau mit dieser Thematik: dem Handling und der Steuerung von Mikrosystemen. Eines der Spin Offs heisst Aeon Scientific. Das 2010 gegründete Unternehmen entwickelte und patentierte eine elektromagnetische Steuerung für Mikrocomputer. Primär anvisiertes Einsatzgebiet ist derzeit die Herzchirurgie, die dank des Verfahrens sicherer und einfacher werden soll, doch auch für andere medizinische Disziplinen wie Neurochirurgie und gezielte Medikamentenabgabe bietet die Technologie grosses Potenzial. Auch das Spin-Off MagnebotiX beschäftigt sich mit kontaktfreier hochpräziser Mikromanipulationen. Eine medizinische Anwendung der Technologie ist der gezielte Stofftransport, der dazu dient, Medikamente zielgenau im Körper zu platzieren. Durch diese Form des Stofftransportes wird die Wirkung verstärkt und gleichzeitig die Belastung des Gesamtorganismus reduziert.

3D-Drucker für Nanoskalierung
Für die Herstellung komplexer Mikro- und Nanostrukturen erweist sich die additive Fertigung als unabdingbar. Am Laserzentrum Hannover, kurz LZH, einem Forschungszentrum, das sich unter anderem sowohl mit Nanotechnologie als auch mit additiver Fertigung beschäftigt, werden verschiedene Arten des 3D-Drucks im Nanobereich erforscht. «Man kann nicht alle Materialien verwenden, um 3D-Druck im Nanobereich durchzuführen. Metalle eignen sich nur für den Mikrobereich. Für den Nanobereich gibt es eigentlich nur die 2-Photonen-Polymerisation, kurz 2PP. Damit kommt man zu Strukturgrössen im Bereich von 100 Nanometern. Das ist das, was aktuell geht. Noch wird die Technologie hauptsächlich in der Forschung angewendet, aber die Industrie interessiert sich zunehmend dafür», erklärt Stefan Kaierle, Leiter des Geschäftsfeldes Additive Fertigung des LZH. «Ein weiterer Forschungsschwerpunkt des LZH im Bereich der Nanotechnologie ist der 3D-Druck von lebendem Zellmaterial mit dem Ziel, eines Tages lebende Organe beispielsweise für die Transplantation zu drucken. Ein bemerkenswertes Projekt im Bereich des Nano-3D-Drucks mit lebendem Zellmaterial ist das Meso-Brain Projekt. Ziel dieses EU-Projektes ist die Reproduktion der neuronalen Netze des Gehirns, um ein viel besseres Verständnis seiner Funktionsweise zu erreichen.» Sollte es in der Zukunft gelingen, funktionierende Teile eines menschlichen Gehirns zu drucken, so wären diese beispielsweise für die Transplantation nutzbar oder auch für Behandlungsscreenings, die dann nicht mehr in Tierversuchen oder an menschlichen Versuchspersonen durchgeführt werden müssten.

Die FluidFM Technologie von Cytosurge wird auch zum Drucken von Metallstrukturen im Mikrometer- und Submikrometerbereich genutzt.

FluidFM für Analyse und Druck
Das Schweizer Unternehmen Cytosurge, das als ETH Spin off startete, kombiniert in seiner FluidFM Technologie, die Rasterkraftmikroskopie mit der Mikrofluidik. Diese Technologie eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten für die Single-Cell-Biologie und in der Oberflächenanalyse. Mit speziellen Messsonden, die nanofluidische Kanäle enthalten, können lösliche Moleküle durch eine an der Messspitze befindliche Submikrometer-Öffnung gespritzt werden. Eine Kraftkontrolle erlaubt sogar eine Differenzierung, ob eine Zellmembran nur berührt oder durchstossen werden soll. Mit der FluidFM Technologie wird es damit möglich, die Zellmembran einer einzelnen Zelle zu durchstossen, etwas Flüssigkeit zuzuführen oder zu entfernen, ohne dass die Zelle abstirbt 3. Die Grundlagen der FluidFM Technologie setzt Cytosurge ebenfalls bei der Entwicklung eines 3D-Druckers für Metallstrukturen im Mikrometer- und Submikrometerbereich ein. Die Nanokanäle und -pipetten sowie die Genauigkeit der Positionierung werden genutzt, um feinste Metallstrukturen in hoher Qualität zu drucken 4.

Die FluidFM Technologie von Cytosurge setzt Nanopipetten ein, um einzelne Zellen zu extrahieren.

Potenzial und Folgen der Nanotechnologie
Nanopartikel werden seit etwa zehn Jahren in der Medizin verwendet. Nanoskalierung bedingt ein verändertes Verhalten von Stoffen. Neben den positiven Aspekten, die dadurch ermöglicht werden, müssen auch deren Folgen für den Menschen und die Umwelt betrachtet werden. Was man bisher weiss ist, dass die Nanopartikel sehr reaktionsfreudig sind und leicht haften – aneinander und an anderen Molekülen. Weltweit werden im Jahr mehrere Tausend Tonnen Nanopartikel hergestellt 5. «Auf die Frage, welche potenziellen Risiken entstehen, wenn grosse Mengen Nanomaterial in die Umwelt gelangt, hat die nanotoxikologische Forschung noch keine abschliessenden Antworten», sagt Christopher Coenen vom Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse des Karlsruher Institutes für Technologie KIT. «Offenkundig ist aber besonderes Augenmerk auf den Produktionsprozess zu legen, also auf Fragen der Arbeitssicherheit und Gesundheit im Produktionsprozess.»

Heike Henzmann

Quellenverzeichnis
(1) www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/ethnews/news/2017/03/erc-advanced-grants-2017.html
(2) www.msrl.ethz.ch/de/forschung.html
(3) www.cytosurge.com/de_DE/page/technology
(4) www.cytosurge.com/de_DE/page/micro3dprinting
(5) www.gentechfrei.ch/nanotechnologie-2/1465-dienanomedizin-auf-dem-vormarsch



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