Nanopartikel und Membrane


Nanopartikel und Membrane

Core-shell nanoparticles and nanoparticles assembled into vesicles

 

Kontaktperson: Univ. Prof. Dr. Erik Reimhult

Zellmembranen enthalten einen Großteil der empfindlichen Maschinerie des Lebens und bilden Barrieren, die kontrollierten Zugang zum und vom Inneren der Zelle ermöglichen. Durch die stetig steigende Verwendung von Nanopartikel (NP's) in den Bereichen medizinische Bildgebung, Drug Delivery, Kosmetik und Materialforschung wächst das Bedürfnis zu verstehen, die NP's physikalisch mit Zellmembranen interagieren. Auf der einen Seite ist es wichtig, diesen Mechanismus zu verstehen, um Risiken neuartiger Nanomaterialien zu kontrollieren und therapeutische Agentien herzustellen, welche spezifisch und zerstörungsfrei in Zellen eindringen können. Andererseits inspirieren Struktur und Funktionalität biologischer Membranen die Entwicklung biomimetischer "smart materials" für biotechnologische Anwendungen. Diese Anwendungen beinhalten biologische Membranen oder nehmen sie sich zum Vorbild, wobei gesteigerte Funktionalität und externe Kontrolle bestimmter Eigenschaften durch den Einbau funktionalisierter NP's erzielt werden kann.

Eine der Primärfunktionen biologischer Membranen ist die Bereitstellung einer zweidimensionalen Barriere, die den Stofftransport von einer zur anderen Seite regulieren kann. Während eine Grenzschicht einfach hergestellt werden kann, ist für das Hinzufügen einer bezüglich Zeit, Raum und Spezies selektiven Transportfunktionalität in der Natur eine komplexe Maschinerie erforderlich. Im Nanobereich ist es also eine enorme Herausforderung für die Ingenieurskunst, dies zustande zu bringen, aber die Vielfalt an Lösungsansätzen in biologischen Systemen stellt die nötige Inspiration zur Verfügung.

Durch die Entwicklung maßgeschneiderter magnetischer Nanopartikel mit im Detail kontrollierbaren physikochemischen Eigenschaften verfügen wir über entsprechende Bausteine, die sowohl für das Erforschen biologischer Membransysteme als auch für die Schaffung einer eigenen Membran mit NP's als funktioneller Komponente geeignet sind. Die Verwendung magnetischer NP's für diese Aufgabe hat den Vorteil, dass deren Anwesenheit und auch die Reaktion auf Belastungen über große Distanzen gemessen werden kann. Dies ist auch in biologischen Umgebungen wie z. B. Gewebe oder in Puffern mit hoher Ionenstärke möglich, wo andere Quellen wie Licht oder elektrische Felder nicht verwendet werden können.

Unsere Arbeit richtet sich derzeit auf 3 Schwerpunkte:

  1. Schaffung relevanter biologischer Membransysteme, um biomolekulare und NP-Wechselwirkungen zu studieren, sogenannte unterstützte Lipid-Doppelschichten mit integrierten Sensor-Plattformen.
  2. Selbstorganisation von core-shell-NP's an Flüssigkeitsgrenzflächen um die Grundlagen solcher Self-Assembly-Prozesse zu verstehen und neuartige reaktionsfähige ("smart") synthetische Membranmaterialien zu schaffen (Kooperation mit Dr. Lucio IsaLSST; ETH Zurich).
  3. Interaktion von core-shell-NP's mit amphiphilen Membranen und Ansteuerung biomimetischer Membranen durch magnetische NP's.

Da es viele Anwendungsgebiete gibt, die von dieser in unserem Labor angewandten Grundlagenforschung profitieren, haben wir unsere Forschung auf neue Konzepte für Drug Delivery und biomedizinische Bildgebung.

Ausgewählte Literatur:

  1. N. Graf, F. Albertini, T. Petit, E. Reimhult, J. Voros, T. Zambelli, Advanced Functional Materials 2011, 21, 1666-1672.
  2. E. Amstad, T. Gillich, I. Bilecka, M. Textor, E. Reimhult, Nano Lett. 2009, 9, 4042-4048.
  3. E. Amstad, J. Kohlbrecher, E. Mueller, T. Schweizer, M. Textor, E. Reimhult, Nano Lett. 2011, 11, 1664-1670.
  4. L. Isa, E. Amstad, K. Schwenke, E. Del Gado, P. Ilg, M. Kroger, E. Reimhult, Soft Matter 2011, 7, 7663-7675

 

 

 

  • Iron oxide nanoparticles modified with nitroDOPA-palmityl and stably inserted into the membranes of POPC liposomes.