Mit Laserstrahlen können Moleküle in einem dreidimensionalen Material punktgenau an der richtigen Stelle fixiert werden. Die an der TU Wien entwickelte Methode kann für das Züchten von Gewebe oder für Mikrosensoren verwendet werden. Foto: (c) TU-Wien 3D Photografting: Ein Laserstrahl leuchtet in das Hydrogel (gelb) und fixiert Moleküle an ganz bestimmten Punkten (grün).

Es gibt heute viele Methoden, dreidimensionale Objekte auf der Größenskala von Mikrometern herzustellen. Doch was kann man tun, wenn man auch die chemischen Eigenschaften eines Materials mikrometergenau bestimmen möchte? An der TU Wien wurde nun eine Methode entwickelt, mit einem Laserstrahl bestimmte Moleküle punktgenau an gewünschten Stellen andocken zu lassen. Beim Züchten von biologischem Gewebe könnte man so durch präzise chemische Signale vorgeben, an welchen Stellen sich einzelne Zellen anlagern sollen, die auf die Stoffe der Umgebung reagieren.

Materialwissenschaft und Chemie

Zwei Arbeitsgruppen der TU Wien, das Materialwissenschafts-Team von Prof. Jürgen Stampfl und die Gruppe um Prof. Robert Liska aus dem Bereich makromolekulare Chemie arbeiteten bei diesem Projekt eng zusammen.

„3D-Photografting“ heißt die neue Methode. „Ein Material aus winzigen Bausteinen mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften zusammenzusetzen ist extrem aufwendig“, erklärt Aleksandr Ovsianikov vom Institut für Werkstoffwissenschaften der TU Wien. „Man geht daher von einem bestehenden dreidimensionalen Gerüst aus und bringt punktgenau an den gewünschten Stellen bestimmte Moleküle an.“

Moleküle im Hydrogel – fixiert vom Laserstrahl

Die Ausgangsbasis bildet ein sogenanntes Hydrogel – ein Material aus Makromolekülen, die in einem sehr lockeren Netzwerk angeordnet sind. Zwischen ihnen bleiben große Lücken, durch die sich andere Moleküle, oder auch ganze Zellen, hindurchbewegen können.

Maßgeschneiderte Moleküle werden in dieses Hydrogel-Netz eingebracht, dann werden bestimmte Stellen mit einem Laser bestrahlt. Dort, wo der fokussierte Laser besonders intensiv ist, wird eine photochemisch labile Bindung der Moleküle gebrochen. Dadurch werden reaktive Intermediate gebildet, die sich lokal sehr rasch in das Netzwerk des Hydrogels einbauen. Die erreichbare Genauigkeit hängt vom verwendeten Laser-Linsensystem ab. An der TU Wien konnte eine Auflösung von 4 µm erreicht werden. „Ähnlich wie ein Maler nach Belieben Farbe auf verschiedenen Stellen der Leinwand aufträgt, werden Moleküle am Hydrogel fixiert – allerdings in drei Dimensionen und mit höchster Präzision“ erklärt Robert Liska. Foto: (c) TU Wien; 3D-Muster, erzeugt durch Photografting (180 µm Breite). Grün fluoriszierende Moleküle werden in einem Hydrogel fixiert

Moleküle als chemisches Signal für Zellen

Einsetzbar ist die neue Methode zum Beispiel für die künstliche Erzeugung von biologischem Gewebe. Ähnlich wie eine Kletterpflanze, die entlang eines Gerüsts nach oben wächst, brauchen auch Zellen eine Vorgabe, an der sie sich anlagern. In natürlichem Gewebe wird das durch die „extrazelluläre Matrix“ gewährleistet – einer Struktur, die den Zellen durch bestimmte Aminosäure-Sequenzen signalisiert, wo sie andocken müssen.

Man versucht daher, im Labor ähnliche chemische Signale zu setzen. Experimente mit der Anlagerung von Zellen auf zweidimensionalen Flächen gab es bereits, doch zur Herstellung größerer Gewebe, die eine innere Struktur haben (etwa Blutkapillaren), ist ein echtes 3D-Verfahren unverzichtbar.

Mini-Sensoren spüren Moleküle auf

Je nach Anwendungsgebiet kann man für diese Technik ganz unterschiedliche Moleküle verwenden – so kann das „3D-Photografting“ nicht nur für Bio-Engineering nützlich sein, sondern etwa auch für die Herstellung von Solarzellen dienen. Auch in der Sensorik verspricht man sich viel von dieser Technologie: Punktgenau kann man damit Moleküle anordnen, die bestimmte chemische Substanzen binden und sie damit nachweisbar machen. Ein mikroskopisches „Labor im Chip“ wird damit möglich.

Dr. Aleksandr Ovsianikov
Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie
T: +43-1-58801-30830
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