25.03.2019

Magnetische Mikroboote

Neue Methode für die Herstellung magnetischer Mikropartikel.

Nano- und Mikrotechnologie sind nicht nur für medizinische Anwendungen wie in der Wirkstofffreisetzung vielversprechende Kandidaten, sondern auch für die Entwicklung kleiner Roboter oder flexibler integrierter Sensoren. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) haben mit einer neu entwickelten Methode magnetische Mikropartikel hergestellt, die den Weg für den Bau von Mikromotoren oder die Zielführung von Medikamenten im menschlichen Körper, wie etwa zu einem Tumor, ebnen könnten. Die Herstellung solcher Strukturen sowie deren Bewegung kann einfach durch Magnetfelder gesteuert werden und findet daher Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen.

Abb.: Mit einem magnetischen Feld lässt sich die Struktur bestimmen, die von...
Abb.: Mit einem magnetischen Feld lässt sich die Struktur bestimmen, die von superpara­magnetischen Nano­partikeln gebildet wird. (Bild: MPI-P)

Die magnetischen Eigenschaften eines Materials bestimmen, wie dieses Material auf das Vorhandensein eines Magnetfeldes reagiert. Eisenoxid ist der Hauptbestandteil von Rost, aber auch in einer anderen kristallinen Form von Flachmagneten. Diese beiden Formen von Eisenoxid weisen unter­schiedliche magnetische Eigenschaften und Reaktion auf das Vorhandensein eines Magnetfeldes auf, da sich die Ausrichtung der kleinen magnetischen Bereiche im Inneren ändert. Im Nanometerbereich kommt bei einer Größe, die der einer magnetischen Domäne entspricht, der Superpara­magnetismus ins Spiel. Superpara­magnetische Nanopartikel weisen nur in Gegenwart eines Magnetfeldes eine hohe Magneti­sierung auf, sie behalten jedoch keine Magnetisierung, wenn das magnetische Feld abgeschaltet wird. 

Dieser reversible Effekt könnte in zukünftigen medizinischen Anwendungen genutzt werden, bei denen Medikamente nichtinvasiv im Blut zu einem bestimmten Ort geleitet werden müssen. Wenn sich jedoch mehrere dieser Nanopartikel zu größeren Clustern verbinden, verlieren sie ihre superpara­magnetischen Eigenschaften. Darüber hinaus ist es eine technische Herausforderung, mit einem solchen Material beliebige Strukturformen herzustellen. In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus der Gruppe von Héloïse Thérien-Aubin aus dem Arbeitskreis von Katharina Landfester, die auf die Herstellung von Nanopartikeln spezialisiert ist, und Wissenschaftlern aus dem Arbeitskreis von Hans-Jürgen Butt, die an wasserabweisenden Oberflächen arbeiten, wurde ein neues Verfahren zur Lösung dieser beiden Probleme entwickelt.

Zunächst wurden superparamagnetische Nanopartikel aus Eisenoxid in eine Schutzhülle aus Polystyrol eingekapselt, um ihren Superpara­magnetismus auch bei der Bildung großer Aggregate zu erhalten. Die Schutzhülle fungiert in diesem Fall als Abstandshalter zwischen den Nanopartikeln. Nach der Herstellung dieser Nanopartikel setzen die Wissenschaftler Tröpfchen – bestehend aus einer Suspension von superpara­magnetischen Nanopartikeln in Wasser auf eine Oberfläche, auf der wie auf einem Lotusblatt Wasser abgewiesen wird. Dadurch bilden die Tropfen eine kugelförmige Form. Nach dem Verdampfen des Wassers erhielten die Wissenschaftler eine drei­dimensionale Struktur, die nur aus Nanopartikeln besteht. 

Die Forscher konnten zeigen, dass sie die Größe und Form der resul­tierenden Struktur variieren können, wenn sie die Konzentration der Nanopartikel im Wasser verändern und einen externen Magneten verwenden, während sie das Wasser verdampfen. Die Veränderung der Konzentration der Nanopartikel führt zu unterschiedlichen Struktur­größen von mehreren Mikrometern bis zu mehreren Millimetern. Eine Variation der Stärke des äußeren Magnetfeldes führt zu unter­schiedlichen Formen, da die Nanopartikel mit dem Magneten und auch untereinander interagieren.

Mit diesem Präparations­verfahren wurden nicht-kugelförmige Strukturen wie tonnen­förmig, kegelartig oder zweitürmig erhalten. „Dies ist ein großer Schritt in Richtung Einsatz von superpara­magnetischen Mikro­strukturen in modernen Anwendungen, da unsere Methode sehr vielseitig einsetzbar sowie zeit- und material­effizient ist“, sagt Héloïse Thérien-Aubin.

MPI-P / JOL

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