Nanotechnologie in der Medizin

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Was ist Nanotechnologie?
1.2 Historische Entwicklung

2 Verfahren und Werkzeuge der Nanotechnologie
2.1 Analythische Verfahren
2.1.1 Rastertunnelmikroskop
2.1.2 Rasterkraftmikroskop
2.2 Herstellungsverfahren
2.2.1 Bottom-Up-Ansatz
2.2.2 Top-Down-Ansatz

3 Nanotechnologie in der Medizin
3.1 Aktuelle Anwendungen
3.1.1 Diagnostik
3.1.2 Therapeutik
3.1.3 Medizintechnik
3.2 Zukünftige Anwendungen
3.2.1 Allgemeiner Überblick
3.2.2 Tissue Engineering

4 Zusammenfassung
4.1 Chancen und Risiken
4.2 Fazit

5 Literaturverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Was ist Nanotechnologie?

Der Begriff „Nanotechnologie“ setzt sich aus zwei Begriffen zusammen. Zum einen aus dem Wort Technologie und zum anderen aus der griechischen Vorsilbe „nanos“, was zu deutsch „Zwerg“ bedeutet. Nanotechnologie befasst sich demnach mit der Herstellung, Untersuchung und Anwendung von funktionalen Strukturen, deren Abmessungen im Bereich < 100 nm liegen [1]. In diesem Größenbereich sind drastische Eigenschaftsverän- derungen von verschiedensten Werkstoffen zu beobachten, die bei der Nanotechnologie für gezielte Funktionsoptimierung eingesetzt werden[2].

Auf Grund dieser speziellen Eigenschaften und den daraus resultierenden Möglichkeiten zählt die Nanotechnologie zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Dieser Trend ist auch zu beobachten, wenn man die Bedeutung des Begriffs an seiner Präsenz im World Wide Web , oder an den jährlichen Fachpublikationen zu diesem Thema misst. Betrachtet man zusätzlich die bereits seit einiger Zeit bestehende forschungspolitische Diskussion und die damit einhergehende geplante Bündelung der Ressourcen auf na- tionaler und internationaler Ebene, so wird deutlich, welchen hohen Stellenwert die Nanotechnologie, sowohl in der Technik, als auch in der Volkswirtschaft einnimmt. Nach Ansicht vieler Experten könnte sich daraus eine technologische Umwälzung ergeben, die mit einer neuen industriellen Revolution vergleichbar wäre[3]. Diese These wird von der Prognose, dass das weltweite Marktvolumen von 200 Mrd. e im Jahr 2009 auf erwartete 2000 Mrd. e im Jahr 2015 steigen soll, untermauert[4].

Zu den Hauptanwendungsgebieten zählen folgende Bereiche aus Ref.[1]:

- Ausrüster (Werkzeuge und Zulieferbedarf)
- Materialwissenschaften und Werkstoffbereiche (z.B. Nanotubes bzw. Nanoröhrchen)
- Gesundheitssektor (Nanobiopharma, Nanomedizin und Nanobiotechnologie)
- IT/Computer-Hardware (bereits heute fließen 50 Prozent der langfristigen Forschungsgelder von IBM, HP und Dell in den Bereich der Nanotechnologie)
- Umwelt-, Lebensmittel- und Agrarsektor
- Militärwesen, Luft- und Raumfahrt

Die Übersicht zeigt, wie weitläufig dieses Thema ist, daher beschränkt sich dieser Bericht auf die Betrachtung des Gesundheitssektors und dort speziell mit dem Bereich der Nanomedizin.

1 Einleitung

1.2 Historische Entwicklung

Die Tatsache, dass die Eigenschaften von Massivmaterial drastisch von dem kleinerer Partikeln des selben Materials abweichen, ist zumindest im empirischen Sinne schon seit langem bekannt. So waren es z.B. die Römer, die mit Hilfe feinster Gold- und Silberpartikel Gläsern markante Farbeffekte gaben. Ein Beispiel hierfür ist die Abbildung 1.1, der sogenannte Lycurgus-Pokal . Auf Grund der sehr kleinen Silber- und Goldpar- tikel im Größenbereich von ca. 70 nm, schimmert das Glas, je nach Beleuchtung, in verschiedenen Farben. Dieser Effekt ist auf die sogenannte Transmission zurückzuführen.

Natürlich handelt es sich bei diesem Gefäß nicht um den gezielten Einsatz von Nano- technologie laut der allgemeinen Definition, da es sehr unwahrscheinlich ist, dass den Römern die physikalischen Zusammenhänge bekannt waren. Jedoch nutzte man trotzdem Materialeigenschaften aus, die nur bei Nanopartikeln des Edelmetalls auftreten[3].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Lycurgus-Cup (4. Jahrhundert, National British Museum of History)[21]

Der erste Forscher, der sich wissenschaftlich mit dem Thema Nanotechnologie ausein- andersetzte, war der amerikanische Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman. Dieser diskutierte -im Jahre 1959- erstmals die Konsequenzen einer grenzenlosen Minia- turisierung und gab dadurch entscheidende Denkanstöße für spätere Forscher, die dieses Thema aufgriffen. Im Gegensatz zu Feynman war es 1974 der Japaner Norio Taniguchi, der den Begriff der Nanotechnologie erstmals einführte. Dieser wurde allerdings zunächst von der Expertengemeinde noch nicht zur Kenntnis genommen. Norio Taniguchi befasste sich hauptsächlich mit der Rauheit von Materialoberflächen. Zwei Jahre später, 1976, befasste sich Dr. K. Eric Drexler erstmals mit künstlich zusammengesetzten Proteinen und Biomolekülen und gilt seitdem als „Nanotech-Papst“. Ein weiterer experimenteller Meilenstein war die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops Ende 1981. Mit diesem war es erstmals möglich einzelne Atome abzubilden und später auch gezielt zu manipulieren.

Für die Entwicklung dieses, für die Nanotechnologie unverzichtbaren Gerätes, wurden die IBM Angestellten Gerd Binnig und Heinrich Rohrer im Jahr 1986 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Gerade für den Teilbereich Medizin ist noch zu nennen, dass es William deFrado und seinen Kollegen 1988 gelang, Protein zu synthetisieren. Im selben Jahr wurde erstmals ein offizieller Kurs „Nanotechnologie“ an der Stanfort Universität angeboten, der Dozent war der eingangs genannte Eric Drexler [1, 3].

Die genannten Entwicklungen liegen den meisten heutigen Anwendungen zu Grunde, oder haben entscheidende Deckanstöße gegeben. Es würde zu weit führen von nun an alle weiteren wichtigen Meilensteine zu nennen, da viele Entwicklungen parallel abgelaufen sind und kaum noch thematisch und zeitlich voneinander abzugrenzen sind.

2 Verfahren und Werkzeuge der Nanotechnologie

Wenn man von Nanotechnologie spricht, stellt sich zu Beginn die Frage, wie es möglich ist sehr kleine Strukturen herzustellen. Dazu wird, neben vielen verschiedenen Herstel- lungsverfahren, auch eine geeignete Möglichkeit benötigt, Nanostrukturen abzubilden. Ein Problem hierbei ist, dass die Auflösung klassischer optischer Mikroskope durch die Wellenlänge des Lichts beschränkt ist[5].

Deshalb ist es unbedingt erforderlich, analythische Verfahren anzuwenden, die es erlau- ben erzielte Eigenschaften und Strukturen zu überwachen und diese mit Vorgaben zu vergleichen.

2.1 Analythische Verfahren

Ausgangspunkt für eine Vielzahl solcher Verfahren ist das schon in der Einleitung erwähn- te Rastertunnelmikroskop , welches zur Familie der Rastersondenverfahren gehört. Ein anderer wichtiger Vertreter dieser Familie ist das Rasterkraftmikroskop . Abbildung 2.1 zeigt den schematischen Aufbau eines Rastersondenmikroskops, bei dem es sich um einen meist universell eingesetzten Apparat handelt. Die piezoelektrischen Aktoren stellen die zentrale Einheit dar und ermöglichen die dreidimensionale Positionierung der Sonde auf der Probenoberfläche. Man bedient sich zur genauen Positionierung des transversalen piezoelektrischen Effektes . Die Applikation eines elektrischen Feldes über den piezoelek- trischen Aktoren führt zu einer feldinduzieren Veränderung der kristalinen Struktur, was zu einer Expansion bzw. Kontraktion des Materials in eine bestimme Richtung führt.

Dies wird gezielt eingesetzt, in dem man das angelegte elektrische Feld, senkrecht zu den Achsen orientiert, in die sich die Piezoelemente ausdehnen sollen. Technisch zum Einsatz kommen hier häufig „Piezoröhrchen“, bei denen sich eine Elektrode an der Außenseite und eine Gegenelektrode an der Innenseite befindet. X- bzw. Y-Bewegung entsteht durch Verbiegung der Röhrchen, die Z-Bewegung durch die Längenänderung. Zur vorherigen Grobpositionierung der Sonde kommt in den meisten Fällen ein „Piezomotor“ zum Ein- satz, dessen Funktionsweise zu erklären jedoch zu weit führen würde. Abschließend ist zu sagen, dass viele Rastersondenmikroskope über aktive oder passive Linearisierung verfügen, da außerhalb des Kleinsignalbereiches, also z.B. bei der Grobpositionierung, starke Hystereseeigenschaften des piezoelektrischen Effektes auftreten[3].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Aufbau eines Rastersondenmikroskops[22]

2.1.1 Rastertunnelmikroskop

Mit der Anbringung einer elektrochemisch scharf geätzten metallischen Drahtspitze als Sonde, ergibt sich aus dem Rastersondenmikroskop, das Rastertunnelmikroskop (RTM). Dieses macht sich den sog. „Tunneleffekt“ zunutze.

Der Sonden-Proben Abstand beträgt typischerweise weniger als 1 nm. Bei diesem Ab- stand kommt es zur Überlappung der Zustandsdichte zwischen Sonde und Probe. In Abbildung 2.2 erkennt man den Tunnelstrom, der zum einen durch die Tunnelelektronen und ihren Abstand zueinander und zum anderen auf Grund der angelegten Spannung (Potentialdifferenz von ca. 1V) hervorgerufen wird, dieser Vorgang wird als Tunneleffekt bezeichnet. Der gemessene Tunnelstrom und der Abstand zwischen Probe und Sonde sind exponentiell voneinander abhängig. Das bedeutet konkret: Ändert sich der Abstand um 0,1 nm (ca. Größenordnung eines Atoms), verzehnfacht sich der Tunnelstrom. Dies ermöglicht zum einen, eine sehr genaue Abtastung beliebiger Oberflächen, dient aber zum anderen auch als Rückkopplung für den elektrischen Regelkreis und somit der genauen Positionierung der Sonde über die zu Beginn erwähnten Piezoelemente. Dieses Verfah- ren setzt jedoch voraus, dass es sich bei der abzubildenden Probe um einen leitenden Werkstoff handelt, sodass zwischen Sonde und Probe eine Spannung angelegt werden kann. Nicht leitende Materialien können nur in Ausnahmefällen abgebildet werden und nur wenn es sich um extrem dünne Schichten handelt. In diesem Fall muss die dünne nichtleitende, auf eine andere leitende Schicht aufgebracht werden um eine Spannung anlegen zu können und eine Potentialdifferenz zu erhalten. Ein weiterer Nachteil ist, dass das RTM extrem anfällig gegenüber Störungen und Verunreinigungen ist. Deshalb muss eine Messung immer unter Hochvakuum durchgeführt werden. Es ist jedoch möglich, die Proben nicht nur abzubilden, sondern auch gezielt zu manipulieren. Dies geschieht, indem man z.B. Moleküle an der Spitze der Tunnelsonde anbringt und diese an einen gewünschten Ort auf der Probe bringt und dort ablädt. [3, 5].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Aufbau und Anwendung der Tunnelsonde[23]

2.1.2 Rasterkraftmikroskop

Beim Rasterkraftmikroskop (RKM) wird als Sonde, wie in Abbildung 2.3, ein „mikrofa- briziertes Biegeelement“, auch Cantilever genannt, angebracht. Mit diesem lassen sich verschiedenste Strukturen, an der Oberfläche der Probe, ermitteln. Es werden zwei Verfah- ren zur Abtastung unterschieden, zum einen das statische, zum anderen das dynamische RKM[3].

Beim statischen RKM berührt der Cantilever die Probe oder befindet sich in einem sehr kleinen Abstand von dieser, vergleichbar wäre dieses Verfahren z.B. mit der Nadel eines Schallplattenspielers. Die Auslenkung des Cantilevers stellt die eigentliche Messgröße dar und wird mit einem Laser, der auf die Rückseite von diesem gerichtet ist, ermittelt. Unter- schiedliche Kräfte haben unterschiedliche Auslenkungen und somit einen Winkelversatz des reflektierten Lichtes des Messlasers zur Folge, diese Änderungen werden durch einen Photosensor aufgenommen. Je nach Beschaffenheit des Stoffes der Probe, ergibt sich aus der Auslenkung entweder eine Magnetkraft, Reibungskraft, elektrische Abstoßung oder chemische Wechselwirkung. Die daraus resultierenden Kräfte befinden sich in der Größenordnung von einigen Nanonewton und resultieren aus dem Abstoßungsgesetz. Aus den Informationen des Photosensors wird abschließend ein dreidimensionales Abbild der Oberfläche der Probe generiert. Weiterhin werden die Informationen, wie beim RTM, ei- nem Regelkreis zugeführt und der Abstand zwischen Cantilever und Probe wird konstant gehalten [3, 5].

Das zweite Verfahren, das dynamische RKM, besitzt gegenüber dem statischen RKM ein Piezoelement mehr. Dieses befindet sich am Cantilever und regt ihn mit Schwingungen an, die sich nahe an seiner Resonanzfrequenz befinden. Dies führt dazu, dass das System auch auf sehr geringe Änderungen außerordentlich stark reagiert. Nun wird nicht mehr die Auslenkung, sondern die Amplitude, Frequenz oder Phasenverschiebung gemessen. Diese ändert sich ebenfalls durch das Abstoßungsgesetz und kann relativ zum Anregungssignal ausgewertet werden. Daraus ergibt sich, dass sich das dynamische RKM am besten für sehr kleine Kräfte eignet [6].

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