Subsurface Imaging von magnetischen Nanopartikeln und Quantifizierung nanomechanischer Eigenschaften von polymeren und biologischen Materialien mittels bimodaler Rasterkraftmikroskopie

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Christian Dietz
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 318205773

Die gezielte Pharmakotherapie (engl.: targeted drug delivery) setzt auf die Freigabe des Wirkstoffes direkt am Zielort. Die genauen Diffusionsmechanismen der Wirkstoffträger, z. B. die exakten Bewegungsprozesse funktionalisierter Nanopartikel im menschlichen Körper sind jedoch weitgehend unverstanden. Dazu wird ein Werkzeug benötigt, das die Diffusionsvorgänge in Echtzeit beobachten lässt und die lokalen mechanischen und biologischen Eigenschaften des Zellgewebes mit den Diffusionsorten verknüpfen kann. Das hier vorgeschlagene Projekt befasst sich zu diesem Zweck mit der hochaufgelösten quantitativen Charakterisierung von mechanischen Eigenschaften polymerer und biologischer Materialien, dem Eindringvorgang magnetischer Nanopartikel und ihrer Detektion unterhalb der Oberfläche (engl.: subsurface imaging). Hierzu werden neuartige dynamische Methoden der Rasterkraftmikroskopie, insbesondere der frequenzmodulierte Messmodus mit gleichzeitiger Anregung zweier oder mehrerer Schwingungsmoden des Biegebalkens (engl.: cantilever), weiterentwickelt. Zur Steigerung des Auflösungsvermögens, der Aufnahmerate und der Empfindlichkeit dieser Messmethode sollen kurze Biegebalken zu Hilfe genommen werden, deren Anwendbarkeit in flüssigen Medien demonstriert werden soll. Die photothermische Anregung des Biegebalkens verhindert dabei die Stimulanz ungewollter Resonanzen im Messaufbau. Eine Verbesserung der Messtechnik zu schnelleren Abbildungsraten ermöglicht die in-situ-Beobachtung von biologischen Prozessen. Dazu soll in dem Projekt das Subsurface Imaging von magnetischen Nanopartikeln in polymeren bzw. biologischen Materialien realisiert werden. Die Kombination schneller Abbildungsraten mit der Quantifizierung mechanischer Objekteigenschaften, struktureller Auflösung und magnetischer Detektion auf der Nanometerskala, kann für die Beobachtung von Diffusionsvorgängen von magnetischen Nanopartikeln in das Zellgewebe eingesetzt werden. Den Eindringvorgang unmittelbar am Zellmembran zu visualisieren, ermöglicht einen weitreichenden Erkenntnisgewinn in der gezielten Pharmakotherapie. Das Hauptziel des Projektes ist es, ein Zusammenhang zwischen den bevorzugten Eindringorten der Nanopartikel und den nanomechanischen Eigenschaften von Endothelzellen herzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen