Ein Bett im Kunststoff

Nanopartikel lassen sich durch Laserstrahlen herstellen. Die Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren: Verunreinigungen entfallen, die Partikel lassen sich in Kunststoffe einbetten, und Materialmischungen sind ohne Aufwand möglich.

Ein neuer Ansatz aus der Lasertechnik eröffnet der Nanotechnologie ganz neue Möglichkeiten: Mit bestimmten, insbesondere kurz gepulsten Lasern lassen sich beliebige Materialien sehr präzise abtragen. Diese Technik wird seit vielen Jahren zur Strukturierung von Bauteilen für die Mikrotechnik genutzt. Das dabei entfernte Material ist aber besonders interessant, denn es ist fast ausschließlich nanopartikulär und zugleich hochrein. Diese Tatsache wurde erst in den letzten Jahren deutlich – und sie wird am Laser Zentrum Hannover (LZH) inzwischen genutzt, um neuartige Kolloide zu erzeugen.

Durch Laserabtrag in Flüssigkeiten sind Nanopartikel herstellbar, die aus beliebigen Materialien bestehen – seien es Metalle, Keramiken, Legierungen oder Materialkombinationen. Eine Erwärmung des Substrats und der Flüssigkeit wird durch die ultrakurzen Pulse vermieden. Geeignete flüssige Medien stabilisieren die Partikel, vermei- den Agglomerationen und bieten die Möglichkeit, den Partikeln mit chemischen Gruppen zusätzliche Funktionalisierungen zu verleihen. Das erschließt ihnen den Einsatz in vielen biotechnologischen Anwendungen.

Interessant ist das Verfahren, weil es sich für viele Materialien eignet und deren Kombination ermöglicht. So können unter anderem Multifunktionalitäten erzeugt werden – etwa Nanomaterial, das sowohl verschleißfest ist als auch antibakteriell wirkt.

Auch bisher gab es eine Reihe von Möglichkeiten, Nanopartikel entstehen zu lassen.

Ein üblicher Ansatz ist die Synthese auf chemischem Weg. Die chemische Gasphasensynthese ermöglicht zum Beispiel die Erzeugung freier Nanopartikel im Tonnenmaßstab, ist jedoch vorwiegend für Metalloxide qualifiziert und führt leicht zu Verklumpungen des Nanopulvers.
Das Sol-Gel-Verfahren ist das am häufigsten eingesetzte nasschemische Verfahren zur Erzeugung von Kolloiden. Es erfordert jedoch eine anschließende Aufreinigung, und es ist zu aufwändig, das Verfahren für jedes Material anzupassen.
Auch mechanische Zerkleinerungsprozesse werden zur Herstellung von Nanopartikeln genutzt, indem polykristallines Pulver über mehrere Stunden in Mühlen aus gehärtetem Stahl oder Wolframkarbid gemahlen wird. Die Defizite sind hier vor allem in Verunreinigungen durch Mahlkörper-Abrieb und Schmierstoffe zu sehen sowie in einer beschränkten Materialauswahl.

Insbesondere Verunreinigungen galten bisher als starkes Argument dagegen, beispielsweise Implantate mit Nanolacken zu beschichten, obwohl das aus medizinischer Sicht sinnvoll sein kann. Dieser Ansatz ist auch nach wie vor unerwünscht, da Lacke abplatzen können.

Die Gruppe Nanomaterialien am LZH verfolgt daher einen anderen Ansatz, um die Vorteile der Nanotechnologie für die Medizin nutzbar zu machen: Die freie Wahl der Trägerflüssigkeit bei der lasergestützten Erzeugung von Nanopartikeln ermöglicht es, die Partikel auch in Lösemitteln und sogar Monomeren zu erzeugen. So lassen sich Kunststoffe polymerisieren, in denen die lasererzeugten Nanopartikel von Anfang an enthalten sind.

Mit diesem „Rapid Nanomaterial Manufacturing“ genannten Verfahren werden aus den Nanopartikel-Dispersionen gießfähige Biomaterialien, in denen die gewünschten Partikel sehr gleichmäßig eingebettet sind. Implantate, die aus solchen Kunststoffen bestehen oder damit ummantelt sind, enthalten die Nanopartikel fest und sicher umschlossen, erlauben aber dennoch die medizinisch relevante Freisetzung von Metallionen aus Partikeln nahe der Bauteiloberfläche.

Im Rahmen eines laufenden Projektes werden Cochlea-Implantatelektroden, die gehörgeschädigten Neugeborenen durch Nerven-Anregung Höreindrücke verschaffen, mit derartigen Kunststoffen ummantelt, die bestimmte Konzentrationen verschiedener metallischer Nanopartikel enthalten. Es ist bekannt, dass eine Anpassung der Partikelsorten eine selektive Wirkung auf das Anwachsen bestimmter Zellgewebe entfaltet. So lässt die Oberfläche des Cochlea-Implantates bei einem geeigneten Zusammenspiel der Partikel Hörnervzellen wachsen und unterdrückt zugleich wucherndes Gewebe.

Niko Bärsch Kurzpulslaser-Experte am LZH

Zukunftsmotor Nanotechnologie

Nanotechnologie gilt als Zukunftsmotor: Im Nanometerbereich haben Strukturen ganz andere Eigenschaften als im gewohnten Maßstab. Für die Elektronik betrifft das hauptsächlich die Wechselwirkung mit Licht. Bei Nanomaterialien für mechanische, chemische oder biologische Zwecke nutzt man andere Effekte.

Die bekannteste biotechnologische Anwendung sind Silber-Nanopartikel, die Biofilmbildung und Infektionen verhindern. Bestimmte Nanopartikel können aber auch das Zellwachstum fördern. Nach Tests mit Zink-, Calcium-, Magnesium- oder Titan-Ionen wird verschiedenen Metallpartikeln eine solche bioaktive Wirkung zugesprochen. Die Freisetzung von Metallionen an der großen Oberfläche von Nanopartikeln kann damit das Anwachsen von Gewebe fördern, was für medizinische Implantate von großem Nutzen wäre.