Nanochirurgie mit Lasertechnik

Von der Nanochirurgie über neuartige Stähle und Gas-Sensoren bis zu Pflastern für die Wundheilung – in den vergangenen sieben Jahren haben Wissenschaftler aus ganz Deutschland gemeinsam an neuen Nano-Anwendungen für die Biomedizin und Technik geforscht. Das Schwer­punkt­programm „Optisch erzeugte Sub-100nm Strukturen für biomedi­zinische und technische Applikationen“ wurde von Karsten König von der Universität des Saarlandes und Andreas Ostendorf von der Ruhr-Universität Bochum koordiniert. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat das Programm mit insgesamt 16 Millionen Euro unterstützt.

„In dem Schwerpunktprogramm haben wir uns auf Strukturen konzentriert, die kleiner als 100 Nanometer sind“, erklärt König, Professor für Biophotonik und Laser­technologie an der Universität des Saarlandes. So hat er beispielsweise gemeinsam mit der promovierten Biowissen­schaftlerin Aisada Uchugonova ein neuartiges Verfahren entwickelt, mit der die Forscher gezielt einzelne Zellen behandeln können. „Mit unserer Lasertechnologie können wir die Zell­mem­branen für ein paar Sekunden öffnen und genetisches Material in die Zelle schleusen“, erklärt König. Die Saarbrücker Wissenschaftler können auf diese Weise zukünftig etwa Hautzellen zu Stammzellen umprogrammieren. „Diese könnten sich anschließend zu verschiedenen Körperzellen ausdifferenzieren“, so der Forscher weiter.

Bei der Technologie kommt ein Femto­sekunden-Laser­mikroskop zum Einsatz. Das Mikroskop arbeitet mit extrem kurzen Lichtpulsen im nahen infraroten Spektralbereich, wobei der Lichtstrahl in einzigartig präziser Weise fokussiert werden kann. Das Verfahren erlaubt Schnitte und Bohrungen, die 2000-mal feiner als die Breite eines Haares sind. „So ist es möglich, einzelne Zellen und ihre Bestandteile in den Mittelpunkt von Diagnose und Therapie zu stellen“, erklärt König. Zur Anwendung kommen könnte diese Nanochirurgie künftig etwa, um Herz­kreislauf­erkrankungen zu behandeln. An der Arbeit waren auch Forscher um die Tübinger Professorin Katja Schenke-Layland beteiligt. In einem anderen Teil­projekt haben Saarbrücker Wissenschaftler um Professor Helmut Seidel am Lehrstuhl für Mikro­mechanik, Mikro­fluidik und Mikroaktorik die Lasertechnik dazu genutzt, neuartige Gas­sensoren herzustellen, die kleinste Mengen Gas wahrnehmen können.

Des Weiteren haben Berliner Forscher des Schwerpunktprogramms an neuen Stählen und Chip­technologien für die Computer­industrie gearbeitet. Wissen­schaftler der Universität Duisburg-Essen haben außerdem neue Wund­auflagen mit Nanozink entwickelt, um Brand­wunden besser zu behandeln. Jenaer Wissenschaftler um Stefan Nolte haben ferner an einer neuartigen Laser­techno­logie geforscht, mit der die Industrie ihre Produkte präziser fertigen kann. Gemeinsam mit den Technologie­konzernen Bosch und Trumpf sind die Forscher 2013 mit dem Zukunfts­preis des Bundes­präsidenten ausgezeichnet worden.

Das Team um Professor Thomas Klar, der früher an der Universität Ilmenau geforscht hat und mittlerweile das Institut für Angewandte Physik an der Johannes-Kepler-Universität in Linz leitet, hat darüber hinaus ein Lithographie­verfahren entwickelt, das es ermöglicht, dreidimensionale Nanostrukturen herzustellen. Thomas Klar ist Experte auf dem Gebiet der STED-Laser­mikro­skopie, für die der Göttinger Professor Stefan Hell 2014 den Chemie-Nobelpreis erhalten hat.

Die DFG hat das Schwerpunktprogramm über zwei Förder­perioden unterstützt. Dazu hat sie insgesamt 16 Millionen Euro zur Verfügung gestellt. In der ersten Phase waren 16 Arbeits­gruppen, in der zweiten Phase 14 Gruppen beteiligt. In den einzelnen Teilprojekten haben jeweils ein Ingenieur mit einem Chemiker, Physiker, Biologen oder Mediziner zusammen­gearbeitet. König hat das deutsch­land­weite Programm zusammen mit seinem Bochumer Kollegen Ostendorf koordiniert.

UdS / CT