Interaktive Materialien

DWI-Wissenschaftler programmieren die Lebensdauer von Nanostrukturen

Materialien, die sich eigenständig bilden und sich nach getaner Arbeit ohne weiteres Zutun auflösen, könnten vielseitigen Einsatz finden – als temporäre Datenspeicher oder medizintechnische Werkstoffe. Sie könnten etwa den Blutfluss einer Vene für die Dauer einer Operation unterbrechen und ihn anschließend wieder freigeben.

Programmiert mit einem Selbstzerstörungsmechanismus: Wissenschaftler des DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien programmieren die Bildung, Lebensdauer und den Abbau von Nanostrukturen, die aus einzelnen Polymersträngen zusammengesetzt sind. Durch Zugabe einer Base wird der Prozess initiiert und läuft dann eigenständig, selbstregulierend ab. (Bild: Thomas Heuser / DWI)

Das Team um Dr. Andreas Walther vom DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien in Aachen entwickelte ein System, in dem ein einziges Startsignal nicht nur den Aufbau von Nanostrukturen, sondern auch deren Lebensdauer und Abbau zeitlich steuert. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Wissenschaftler als Titelpublikation in der Zeitschrift Nano Letters.

Biologisch inspirierte Prinzipien zur Bildung komplexer Materialstrukturen sind eine der primären Forschungsinteressen von Andreas Walther. Um immer feinere Objekte zu generieren, greift die Nanotechnologie auf das Prinzip der Selbstassemblierung zurück. Winzige Partikel ordnen sich hier durch intermolekulare Wechselwirkungen zu dreidimensionalen Architekturen - bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. Die Natur geht allerdings noch einen Schritt weiter. Sie hält bestimmte Prozesse außerhalb eines solchen Gleichgewichts. Auf- und Abbaureaktionen stehen in direkter Konkurrenz zueinander. Beispielsweise erfahren Mikrotubuli, Bestandteile des Zellskeletts, kontinuierlichen Auf-, Ab- und Umbau.

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In Anlehnung an diese Prozesse entwickelte die Arbeitsgruppe von Andreas Walther nun ein wässriges, nach außen abgeschlossenes System, in dem die Balance zwischen aufbauender Reaktion und vorprogrammierter Aktivierung der Abbaureaktion die Material-Lebensdauer vorgibt. Der gesamte Prozess wird von einem einzigen Startsignal initiiert. Dies stellt den wesentlichen Unterschied zu bereits bestehenden Systemen dar, in denen immer ein weiteres Signal notwendig ist, um den Abbau auszulösen.

Im vorliegenden DWI-Ansatz steuern Änderungen des pH-Werts die Auf- und Abbaureaktion. Die Wissenschaftler drücken eine Art Startknopf, indem sie eine Base in das wässrige System geben und auf diese Weise den pH-Wert erhöhen. Die Ausgangsmoleküle, einzelne Polymerstränge, Nanopartikel oder Peptidstränge, fügen sich daraufhin zu einer dreidimensionalen Struktur zusammen. Gleichzeitig mobilisiert die Änderung des pH-Werts auch einen Deaktivator. Doktorand Thomas Heuser erklärt: „Man kann sich hier vorstellen, dass mit der Veränderung des pH-Werts ganz allmählich ein Ausschalter betätigt wird. Bis er seine volle Wirkung entfaltet, vergeht einige Zeit. Je nach chemischer Beschaffenheit des Ausschalters sind es einige Minuten, Stunden oder sogar ein ganzer Tag. Dementsprechend bleibt das Aggregat in diesem Zeitraum stabil und wird erst danach in seine einzelnen Bestandteile aufgelöst.“

Bisher wird der Deaktivator durch Hydrolyse aktiviert, also durch Reaktion mit Wassermolekülen und die damit verbundene Spaltung einer chemischen Bindung. Doch die Wissenschaftler feilen bereits an einer neuen Variante und möchten dann Enzyme einsetzen, um den Abbauprozess langsam zu initiieren.

Publikation:
Heuser, T., Steppert, A. K., Molano Lopez, C., Zhu, B., & Walther, A. (2014). Generic Concept to Program the Time Domain of Self-Assemblies with a Self-Regulation Mechanism. Nano Lett., 2015, 15 (4), pp 2213–2219. DOI: 10.1021/nl5039506.

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