Untersuchung der Partikelbeweglichkeit im Magnetic Particle Imaging (MPI)

• Antragsteller: Professor Dr. Meinhard Schilling
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 283337281

Ziel des Projektes ist die Quantifizierung der Partikelbeweglichkeit im MPS/MPI unter Zuhilfenahme eines definierten Partikel-Matrix-Systems. Die Partikelbeweglichkeit ist durch die Brownsche Zeitkonstante gegeben und umfasst die Viskosität des Mediums und das hydrodynamische Partikelvolumen. Systematische Untersuchungen der Wechselwirkungen und Modellierung der Signalentstehung sind hierbei Voraussetzungen für die Bestimmung der Partikelbeweglichkeit auf Basis des Messsignals im MPS/MPI. Durch Transfer der Ergebnisse in die MPI-Bildgebung werden räumlich und zeitlich aufgelöste Untersuchungen des Partikel-Matrix-Systems ermöglicht mit etwa 1 mm Auflösung und 1 Hz Bildrate. Die Bildgebung der Beweglichkeit der magnetischen Nanopartikel in Abhängigkeit von der Partikel-Matrix-Wechselwirkung ist für verschiedene biomedizinische und technische Anwendungen von großem Interesse. Im Rahmen des Projektes werden verschiedene Partikel-Matrix-Systeme -sowohl kommerzielle als auch Partikel von Partnern im SPP1681 -untersucht. Dabei stellt die Viskosität des Mediums einen einstellbaren Parameter dar, so dass sich viskose Partikel-Matrix-Systeme als Modellsystem für die Beweglichkeitsuntersuchungen eignen. Durch rheologische Vergleichsmessungen kann die Quantifizierbarkeit der Viskosität im MPS/MPI verifiziert werden. Für die Bestimmung der Viskosität aus den MPS-Spektren wird zunächst auf einen kalibrations-basierten Ansatz zurückgegriffen, für den die Messung einer Viskositätsserie erforderlich ist. Im Weiteren wird eine Modellierung der Viskosität im MPS-Signal angestrebt, wodurch eine direkte Beziehung der Partikelbeweglichkeit zum Messsignal hergestellt wird. Die Anwendung der entwickelten Methoden zur Beweglichkeitsbestimmung im MPS kann schließlich auf biologische Systeme, z.B. Plasma, Zellen, Gewebe, angewendet werden. Basierend auf den Ergebnissen der Viskositätsuntersuchungen im MPS sollen die Methoden und Modelle auf die MPI-Bildgebung übertragen werden. Die Beweglichkeits-Bildgebung im MPI stellt einen entscheidenden Schritt in Richtung funktionaler Bildgebung im Magnetic Particle Imaging dar. Dabei wird die lokale Nano-/Mikro-Viskosität im Voxel in Verbindung mit der räumlichen Verteilung der magnetischen Nanopartikel abgebildet. Der Zusammenhang der Voxel-gemittelten makroskopischen Viskosität in Bezug auf die lokale Beweglichkeit der Partikel ist dabei von zentraler Bedeutung und kann im Rahmen der Kooperationen im SPP1681 detailliert untersucht werden. Die Quantifizierbarkeit sowohl der Partikelkonzentration als auch der Partikelbeweglichkeit wird in praktischen Anwendungsszenarien, d.h. in biologisch-relevanten Medien, durch eine nicht-Newtonsche Viskosität oder Viskoelastizität des Partikel-Matrix-Systems in Frage gestellt. Daher sollen zum Abschluss des Projektes, viskoelastische Partikelsysteme und Wechselwirkungen in biologischer Umgebung analysiert werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1681: Feldgesteuerte Partikel-Matrix-Wechselwirkungen: Erzeugung, skalenübergreifende Modellierung und Anwendung magnetischer Hybridmaterialien