15.05.2020

Magnetische Nanopropeller liefern Gen-Fracht

Spiralförmige Nanotransporter bergen großes Potenzial für biomedizinische Anwendungen.

Wissenschaftler des Mikro, Nano und Molekulare Systeme Labors und der Abteilung für Moderne Magne­tische Systeme am Max-Planck-Institut für Intelli­gente Systeme MPI-IS ist es gelungen, Nanomagnete zu entwickeln, die in Zukunft neue Verfahren in der Medizin und bei minimal-invasiven Operationen ermöglichen könnten. Aus einer Eisen-Platin-Legierung stellten die Forscher spiral­förmige Nanopropeller her, die so groß wie ein Bakterium sind. In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Francis-Crick-Instituts in London, einem britischen Forschungs­institut auf dem Gebiet der Biomedizin, und des Max-Planck-Instituts für medi­zinische Forschung in Heidelberg zeigten die Forscher, dass die magnetischen Nano­propeller nicht nur vollständig bio­kompatibel sind, sondern auch genetisches Material zu einzelnen Zellen liefern können. 

Abb.: Zwei Mikrometer lange und 500 Nano­meter breite...
Abb.: Zwei Mikrometer lange und 500 Nano­meter breite Eisen-Platin-Nano­propeller werden verwendet, um Zellen genetisch zu modi­fizieren, die daraufhin grün fluores­zieren. (Bild: MPI-IS)

„Die fantastisch klingende Idee, dass magnetisch gesteuerte Nanopropeller eines Tages die präzise Abgabe von Genen oder Medikamenten ermöglichen könnten, birgt großes Potenzial für die Medizin. Wir sind dieser Vision nun einen kleinen Schritt näher­gekommen“, sagt Peer Fischer, der das Mikro, Nano und Molekulare Systeme Labor leitet. Eine große Heraus­forderung beim Einsatz magne­tischer Nanopartikel in der Biomedizin besteht darin, dass einige magnetische Materialien hohe Toxizität aufweisen wie Nickel oder Kobalt. Andere sind nur schwer herzu­stellen (Zinkferrit), weisen geringe chemische Stabilität auf wie etwa Eisen oder sie besitzen nur sehr schwache magnetische Momente (Eisenoxide). Die in vielen Bereichen beliebten Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) Super­magnete wiederum, können bei dieser kleinen Größe bislang nicht herge­stellt oder verwendet werden. Daher ist es sehr schwierig, ein ideal geeignetes magne­tisches Material für Anwendungen im Nano­bereich zu finden.

Neuartige magnetische Nano­propeller überwinden nun diese Ein­schränkungen. Den Stuttgarter Wissenschaftlern gelang es, Nanostrukturen zu bauen, die die stärksten bekannten Mikromagnete (NdFeB) übertreffen, dabei aber chemisch stabil und biokompatibel sind. Diese neuen Nano­propeller basieren auf der L10 Eisen-Platin Legierung. Sie sind vielver­sprechend, da sie alle Eigenschaften vereinen, die in der Praxis für solch winzige Lieferanten nötig wären. Die heraus­ragenden magne­tischen Eigenschaften des verwendeten Eisen-Platin-Materials wurden zuvor durch die Abteilung für Moderne Magnetische Systeme am MPI-IS unter der Leitung von Gisela Schütz entwickelt.

„Es ist uns gelungen, FePt-Nanomagnete herzustellen, die etwa fünfzig Prozent stärker sind als die besten Neodym-Verbindungen der Welt“, sagt Schütz. Zur Herstellung der Nano­propeller nutzten die Forscher den ;Hochvakuum Nano­fabrikations­prozess – Glancing Angle Deposition (GLAD), gefolgt von einem Glühvorgang von einer Stunde bei fast 700 Grad. Durch die Verwendung von GLAD konnte das Team, wie auch schon bei anderen Projekten, in wenigen Stunden Milliarden an schrauben­förmigen Nanopropellern herstellen.

Mit Unterstützung der Biologen Maxi­miliano Gutierrez und Claudio Bussi vom Francis-Crick-Institut und des Bio­ingenieurs Andrew Holle vom Max-Planck-Institut für medi­zinische Forschung zeigte das Team, dass die biokom­patiblen Propeller zu Zellen gesteuert werden und Gene liefern konnten. Sie beluden die Propeller zunächst mit DNA, die Information für ein grün fluores­zierendes Protein trug. Die Propeller trans­portierten die DNA dann ins Innere von Lungen­karzinomzellen, die daraufhin grün zu leuchten begannen. Die Forscher konnten die Propeller präzise durch das die Zellen umgebende Zellmedium steuern. Aufgrund der hart­magnetischen Eigenschaften, die mit denen starker NdFeB-Mikromagnete vergleichbar sind, können ;die Propeller in einer Sekunde eine Strecke ihrer 13-fachen Länge zurücklegen. 

Vincent Kadiri geht davon aus, dass die Eisen-Platin-Legierung in Zukunft auch bei der Herstellung anderer Mikro- und Nanoobjekte Verwendung finden wird. „Ich bin sehr glücklich, dass es uns gelungen ist, biokompatible Nano­propeller mit FePt zu konstruieren, die die bisher in diesem Gebiet verwendeten Materialien übertreffen. Es wird interessant sein, die neuen Anwen­dungen zu sehen, die dadurch ermöglicht werden.“ Die Studie zeige, dass FePt großes Potenzial für den Einsatz in der Mikro­robotik und in einer Vielzahl biomedi­zinischer Anwendungen aufweise. Maximiliano Gutierrez, der in seiner Forschung den gefährlichen Tuberkulose-Erreger studiert, sagt: „Der gezielte Transport von Anti­biotika durch biokompatible Nano­propeller könnte eine neue, intelli­gente Strategie darstellen, um das große Problem der anti­mikrobiellen Resistenz anzugehen.“

MPI-IS / JOL

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