Innovationen im Gesundheitswesen durch Nanopartikel

Eine neue Nanopartikel-Synthese-Technologie erlaubt die Einstellung bestimmter Eigenschaften

  • Abb.1: Mit modernen Flammensynthese kann die chemische Zusammensetzung anorganischer ­Nanopartikel einfach und verlässlich den ­Anforderungen angepasst werden.Abb.1: Mit modernen Flammensynthese kann die chemische Zusammensetzung anorganischer ­Nanopartikel einfach und verlässlich den ­Anforderungen angepasst werden.
  • Abb.1: Mit modernen Flammensynthese kann die chemische Zusammensetzung anorganischer ­Nanopartikel einfach und verlässlich den ­Anforderungen angepasst werden.
  • Abb. 2: 1 – 2 nm große Silber-Nanopartikel ­verteilen sich während des Syntheseprozesses homogen über die Oberfläche von Calciumphosphat-Nanopartikeln
  • Abb. 3: Gebildetes Hydroxyapatit-Knochenmaterial nach Immersion in simulierter Körperflüssigkeit; Die ursprünglichen Fasern der Knochenwolle besteht aus amorphen Tricalcium-Phosphat- Nanopartikeln und einem abbaubaren Polymer
  • Norman A. Lüchinger, CTO, Nanograde
  • Prof. Dr. Wendelin J. Stark, Functional Materials Laboratory, ETH Zürich
  • Dr. Samuel C. Halim, Geschäftsführer, Nanograde

In den letzten Jahren wurden im Bereich der Nanopartikel-Synthese große Fortschritte erzielt. Eine potente Technologie, die an der ETH Zürich entwickelt wurde, könnte dabei vielerlei Produktinnovationen für Anwendungen im Gesundheitswesen bringen. Die Eigenschaften der Nanopartikel können dabei den Anforderungen der Anwendung entsprechend angepasst und optimiert werden.

Der Begriff „Nanotechnologie" ist sehr generell und meist macht es Sinn zu spezifizieren, über welchen Zweig der Nanotechnologie man spricht. Ein Zweig in der Nanotechnologie-Branche sind die immer wichtiger werdenden anorganischen Nanopartikel, die selber für verschiedenste Anwendungen eingesetzt werden können.
Bis vor kurzem konnte nur eine sehr begrenzte Anzahl Nanopartikel-Verbindungen großtechnisch hergestellt werden. Infolge der bescheidenen Auswahl von Nanopartikel-Zusammensetzungen war auch die Fülle an Anwendungen beschränkt. Die Nanopartikel-Industrie musste geeignete Anwendungen basierend auf den konventionell herstellbaren Nanopartikeln suchen.

Die neu entwickelte Synthese-Technologie löst diese bestehenden Einschränkungen auf und erlaubt nun die Wahl der chemischen Zusammensetzung der Nanopartikel und ergo auch die Einstellung bestimmter Eigenschaften und dies in einer zuvor nicht vorhandenen Breite (Abb. 1). Dieser Technologie-Sprung ermöglicht bei Produktentwicklungen einen neuen Ansatz, nämlich basierend auf den erwünschten Eigenschaften neue Nanopartikel zu entwickeln. Da bei Nanopartikeln die zunehmende Dominanz von Oberflächen- und Grenzflächen-Phänomenen eine wichtige Rolle spielt und so gewisse Eigenschaften viel effizienter eingebracht werden können, ohne dass bestehende Eigenschaften verloren gehen, werden diese künftig vermehrt in Produkten zu finden sein.

Die riesige verfügbare Oberfläche und die daraus resultierende erhöhte Reaktionsfähigkeit ist ein Hauptgrund dafür, dass Nanopartikel schon seit längerem für Anwendungen in der chemischen Katalyse untersucht und verwendet werden. In der Medizinaltechnik und der Biotechnologie hingegen sind Nanopartikel noch selten in Endanwendungen zu finden. Diverse Applikationen werden teils seit längerer Zeit untersucht, vor allem auf dem Gebiet der Hyperthermie (magnetische Eisenoxid-Nanopartikel) und künstlicher Implantate; im weiteren Sinne kann auch die Kosmetik aufgeführt werden, wo Nanopartikel schon lange in bestimmten Sonnencremen als anorganische UV-Absorber verwendet werden.

Flammenspraysynthese als Herstellungsverfahren für Nanopartikel

Anorganische Nanopartikel zersetzen sich im Gegensatz zu organischen Nanopartikeln nicht unter Hitze.

Dies ist ein Grund dafür, dass sich erstere sehr gut dafür eignen über Hochtemperaturprozesse hergestellt zu werden. Auch die hier vorgestellte Flammenspraysynthese weist Prozess-Temperaturen von bis zu 2.000°C auf und eignet sich daher hervorragend, um anorganische Nanopartikel herzustellen. Der äußerst elegante Prozess erlaubt im Grunde die Synthese von anorganischen Nanopartikeln mit beliebiger Zusammensetzung, so dass viele neue Anwendungsgebiete zu erschließen möglich erscheint. Denn wo früher die Synthese sinnvoller Nanopartikel für medizinische Anwendungen noch schwierig oder zumindest sehr zeitraubend war, scheint mit der Entwicklung der modernen Flammenspraysynthese eine große Hürde übersprungen.

Ein anschauliches Beispiel ist die Entwicklung hoch antibakteriell wirksamer Nanopartikel. Die antiseptische und somit desinfizierende Wirkung von Silber ist seit langem bekannt. Bis dahin war es jedoch nicht möglich, das Edelmetall gezielt und dosiert einzusetzen. Moderne Zusatzstoffe basieren meist auf Silber-Partikeln im Mikrometer-Maßstab. Diese sind zwar wirksam, aber durch die Verkleinerung dieser Partikel und die einhergehende Vergrößerung der Silber-Oberfläche ließe sich die Effizienz stark verbessern. Dies ist jedoch nicht so einfach umsetzbar, da man das Silber zuerst so klein herstellen und in einem zweiten Schritt noch stabilisieren muss. Ließe man den Stabilisierungsschritt weg, würden die Silber-Nanopartikel sofort wieder aggregieren und größere Verbunde bilden. Mit der modernen Flammenspraysynthese konnten nun beide Schritte in einem Prozessschritt elegant verwirklicht werden. Die Silberpartikel werden in kleiner Konzentration gleichzeitig mit Träger-Nanopartikeln, z.B. Calciumphosphat, synthetisiert. Dies erlaubt es den Silberpartikeln überhaupt so klein zu bleiben und so die hohe Effizienz zu bewahren. Aus dem Flammenspraysynthese-Prozess resultieren auf diese elegante Art 1-2 nm große Silber-Nanopartikel, die homogen auf 30-50 nm großen Calciumphosphat-Nanopartikeln verteilt sind (Abb. 2). Die Wahl des Trägermaterials (Calciumphosphat) kommt nicht von ungefähr. Es ist einerseits bioaktiv und wird von Mikroorganismen als Nährstoff verwertet. Calciumphosphat wird in Gegenwart von Mikroorganismen zersetzt, was hunderte 1-2 Nanometer kleine Silberpartikel freisetzt. So werden Bakterien extrem effizient abgetötet und eine Verbreitung verunmöglicht. Aber auch andere Trägermaterialien kommen je nach Applikation zur Anwendung.

Die antibakterielle Wirkung dieser Nanopartikel wurde bereits ausführlich in Polymerfolien getestet, die großtechnisch für Lebensmittel- und Pillenverpackungen hergestellt und verwendet werden. Die Resultate zeigen, dass die anti-bakterielle Effizienz durch die Verwendung dieser Silber-Calciumphosphat-Komposite im Vergleich zu bestehenden Zusatzstoffen um einen Faktor von bis zu 1.000 erhöht werden konnte [1]. Die endgültige Silberkonzentration in der Polymerbeschichtung ist im parts-per-million (ppm)-Bereich und tötet Bakterien immer noch höchst effizient ab. Die Polymerfilm-Beschichtung ist nur eine von vielen möglichen Anwendungen, die momentan untersucht werden. So wird auch an einer antimikrobiellen Beschichtung für Spitaloberflächen, für Textilien oder auch für sanitäre Anlagen gearbeitet. Die Einarbeitung dieser Partikel in Operationstücher könnte eine andere sinnvolle Anwendung sein.

Knochenersatzmaterialien auf Basis von Nanopartikeln

Neben den antimikrobiellen Anwendungen wurden bereits diverse Arbeiten im Bereich Knochenersatzmaterialien basierend auf Nanopartikeln aus der Flammenspraysynthese publiziert. So zeigte sich, dass sich amorphe Tricalciumphosphat-Nanopartikel (TCP) äußerst gut als synthetischer Knochenersatz eignen. Sind die metastabilen Calciumphosphat-Nanopartikel nämlich Körperflüssigkeit ausgesetzt, härten sie zügig als Hydroxyapatit aus, was als Bestandteil von Knochen und Zähnen bekannt ist. Wo bestehende Produkte Stunden bis Tage benötigen um auszuhärten, schafft der neuartige Nanozement dies in einem Bruchteil dieser Zeit [2]. Um die Anwendbarkeit für Ärzte zu verbessern, wurden diese TCP-Nanopartikel zusätzlich in abbaubare Polymere eingearbeitet und zu Fasern gesponnen [3]. Mit dem so entstandenen Material, „Knochenwolle" genannt, lässt sich fehlendes Knochenmaterial optimal auffüllen, ob im Kiefer oder in einem nicht-tragenden Skelett-Knochen. Einmal richtig plaziert, wandelt sich das Material bei gleichzeitiger Auflösung des Polymers in das Knochenmaterial Hydroxyapatit um (Abb. 3).
In der Reihe der sich nun öffnenden biomedizinischen Anwendungen anorganischer Nanopartikel finden sich auch bioaktive Gläser. Gewisse Zusammensetzungen von bioaktiven Gläsern sind schon lange bekannt. Die Bioaktivität zeigt sich durch die Fähigkeit, unter biologischen Bedingungen in Knochen umzuwandeln oder sich daran zu binden. Mittels Flammenspraysynthese besteht jetzt die Möglichkeit, Zusammensetzung und Kristallphase bioaktiver Gläser in Nanopartikelform an die spezifischen Gegebenheiten anzupassen und so die Eigenschaften dieser Biomaterialien einzustellen (Einstellung des pH-Wertes, Bioaktivität etc.) [4, 5].
Die hier aufgeführten Beispiele sollen ansatzweise das Potential für Produktinnovationen aufzeigen, die basierend auf der Flammenspraysynthese möglich sind. Man merkt schnell, dass diese Technologie Materialkombinationen zulässt, die nahezu uneingeschränkt sind. Die Flexibilität und Stabilität des Prozesses löst einen wichtigen Teil der Materialentwicklung und ermöglicht so eine beschleunigte Innovation.

Literatur

[1] Loher S. et al.: Small, 4, 824-32 (2008)
[2] Bohner M. et al.: J. Mater. Chem., 18, 5669-75 (2008)
[3] Schneider O.D. et al.: J. Biomed. Mater. Res., 84B, 350-62 (2008)
[4] Vollenweider M. et al.: Acta Biomater., 3, 936-43 (2007)
[5] Gubler M. et al.: International Endodontic Journal, 41, 670-8 (2008)

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