idw – Informationsdienst Wissenschaft

Nachrichten, Termine, Experten

Grafik: idw-Logo
Thema Corona

Science Video Project
idw-Abo

idw-News App:

AppStore

Google Play Store



Teilen: 
06.04.2022 12:22

Gut verpackt: Goldnanopartikel werden in Hydrogel eingebettet und unter die Haut implantiert

Petra Giegerich Kommunikation und Presse
Johannes Gutenberg-Universität Mainz

    Großporige Hydrogele eignen sich als Träger für Nanosensoren, die zur medizinischen Diagnostik dienen

    Winzig kleine Goldnanopartikel können als medizinische Sensoren unter die Haut implantiert werden und von hier Informationen über Körperfunktionen oder im Blut zirkulierende Stoffe nach außen übermitteln. Das grundlegende Prinzip dieser Beobachtung von Biomarkern mithilfe von Nanogold hat die Nanobiotechnologie-Gruppe von Prof. Dr. Carsten Sönnichsen an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) demonstriert. Nun ist es dem Team gelungen, eine geeignete Verpackung für die Nanoteilchen zu finden. „Die winzigen Sensoren müssen in ein Gel eingebettet werden, damit sie ihre Funktion erfüllen und gut zu handhaben sind“, sagt Katja Buder aus der Arbeitsgruppe um Sönnichsen. „An dieses Gel stellen wir einige Bedingungen, es ist noch weit mehr als eine reine Verpackung. Jetzt haben wir unter vier Kandidaten die beste Verbindung herausgefunden.“ Sehr gut geeignet ist demnach ein Hydrogel, das aus zwei Polymeren besteht und abgekürzt als pHEMA-PEGDA bezeichnet wird. Die Arbeit wurde durch eine Forschungsförderung der Stiftung Rheinland-Pfalz für Innovation unterstützt und in dem Fachjournal Applied Bio Materials veröffentlicht.

    Hydrogel besitzt gewebeähnliche Struktur mit verbundenen Poren

    Mit implantierbaren Sensoren können Biomarker für medizinische Zwecke kontinuierlich überwacht werden, ohne dass Blutproben entnommen werden müssen. Für die Lebensqualität beispielsweise von Diabetikern würde diese Datenübertragung eine deutliche Verbesserung bedeuten. Die Gruppe um Carsten Sönnichsen hatte in den vergangenen Jahren solche Nanosensoren entwickelt und gezeigt, dass durch Kontakt mit einem Antibiotikum eine Farbveränderung des Sensors erfolgt, die durch die Haut ausgelesen werden kann. Die Nanopartikel müssen dazu in ein gewebeähnliches Hydrogel eingebettet werden, das große, miteinander verbundene Poren besitzt. Durch diese Poren können kleine Blutgefäße oder Zellen einwachsen, die zum einen den zu analysierenden Stoff zu den Sensoren transportieren und zum anderen das Implantat an Ort und Stelle halten. „Aber am wichtigsten ist, dass die Funktion der Nanosensoren in dieser Hydrogelmatrix erhalten bleibt“, sagt Katja Buder, die sich mit den unterschiedlichen Gelen im Rahmen ihrer Doktorarbeit beschäftigt.

    Porenstruktur reguliert Durchlässigkeit des Gels

    Getestet wurden vier Kandidaten: Agarose, das ist ein Polysaccharid auf Algenbasis, zwei Copolymere, nämlich pHEMA-TEGDMA und pHEMA-PEGDA, sowie das Polymer pPEGDA. „Die Stoffe müssen einerseits biologisch verträglich sein, damit sie im Körper keinen Schaden anrichten, andererseits dürfen sie nicht biologisch abbaubar sein“, so Buder. Das ist noch nicht alles: Das Gel soll vom Köper nicht als Fremdstoff erkannt werden, weil es sonst eingekapselt würde. Dies gelingt durch die Porenstruktur. Dabei sorgen zwei Arten von Poren in zwei Größenskalen für die richtige Mischung: Makroporen im Mikrometerbereich erlauben das Einwachsen von Blutgefäßen und Zellen, während Mikroporen im Nanometerbereich unerwünschte Proteine am Eindringen hindern. „Die Copolymere funktionieren am besten. Die beiden Polymerstränge sind miteinander verknüpft und bilden eine Art Maschenstruktur, die unsere Nanosensoren wie ein Schutzschild umgibt und unerwünschte Eindringlinge abhält“, sagt Katja Buder.

    Der eigentliche Sensor, der wie eine Antenne funktioniert, besteht aus Milliarden von winzigen Goldnanopartikeln. Auf jedem dieser Nanoteilchen sitzen wiederum eine Menge kleiner DNA-Stränge, an die sich die zu untersuchende Substanz anheftet. Das Gel hat die Aufgabe, die zahllosen Partikel einzubetten, die Funktion der Partikel zu erhalten und das Konglomerat in der Größe von einem Cent-Stück in eine passende Form und Konsistenz zu bringen: Es soll weich und angenehm unter der Haut sein, aber auch nicht zu weich, damit es mit einer Pinzette gut zu handhaben ist. Diese Anforderungen hat pHEMA-PEGDA – die Abkürzung steht für ein Copolymer aus Poly(2-hydroxyethyl methacrylatpoly(ethylen glycol)diacrylat) – am besten erfüllt. „Mit pHEMA-PEGDA haben wir das passende Gel gefunden, das wir auch bei künftigen Versuchen einsetzen werden“, erklärt Katja Buder.

    Bildmaterial:
    https://download.uni-mainz.de/presse/09_chemie_nanobiotechnologie_hydrogel_01.jp...
    Goldnanopartikel in einem porösen Hydrogel werden als medizinische Sensoren unter die Haut implantiert: Unter dem Dunkelfeldmikroskop ist zu erkennen, wie Zellen (gelb-rot) in die Poren des Hydrogels (dunkelgrün) gewachsen sind.
    Abb./©: Katja Buder, Nanobiotechnologie-Gruppe, Department Chemie

    https://download.uni-mainz.de/presse/09_chemie_nanobiotechnologie_hydrogel_02.jp...
    Histologische Probe des Sensors: Die Nanopartikel sind als gelb leuchtende Punkte im Hydrogel zu erkennen, während Zellen (orange) teilweise in die Poren des Gels eingewachsen sind.
    Abb./©: Bastian Flietel, Nanobiotechnologie-Gruppe, Department Chemie

    Weiterführende Links:
    https://www.chemie.uni-mainz.de/ - Department Chemie an der JGU
    https://www.mpgc-mainz.de/ - Max Planck Graduate Center mit der Johannes Gutenberg-Universität

    Lesen Sie mehr:
    https://www.magazin.uni-mainz.de/12095_DEU_HTML.php - JGU-Magazin-Beitrag „Implantierte Gold-Partikel arbeiten als Sensoren (14. Oktober 2021)
    https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/13376_DEU_HTML.php - Pressemitteilung „Tattoo aus Goldnanopartikeln revolutioniert medizinische Diagnostik“ (31.03.2021)
    https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/8359_DEU_HTML.php - Pressemitteilung „Chemische Reaktionen per Licht antreiben“ (25.04.2019)
    https://www.uni-mainz.de/presse/57174.php - Pressemitteilung „Chemiker entwickeln neuartige Nanosensoren zum Nachweis von Proteinen und Viren“ (31.07.2013)
    https://www.uni-mainz.de/presse/50547.php - Pressemitteilung „Gold-Nanoantennen spüren Proteine auf“ (28.02.2012)


    Wissenschaftliche Ansprechpartner:

    Prof. Dr. Carsten Sönnichsen
    Nanobiotechnologie
    Department Chemie
    Johannes Gutenberg-Universität Mainz
    55099 Mainz
    Tel. +49 6131 39-24313
    E-Mail: soennichsen@uni-mainz.de
    https://www.nanobiotech.uni-mainz.de/prof-dr-carsten-soennichsen/


    Originalpublikation:

    Katja Buder et al.
    Integrating Nanosensors into Macroporous Hydrogels for Implantation
    Applied Bio Materials, 9. Februar 2022
    DOI: 10.1021/acsabm.1c01290
    https://doi.org/10.1021/acsabm.1c01290


    Merkmale dieser Pressemitteilung:
    Journalisten, Wissenschaftler, jedermann
    Biologie, Chemie, Medizin, Werkstoffwissenschaften
    überregional
    Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
    Deutsch


    Hilfe

    Die Suche / Erweiterte Suche im idw-Archiv
    Verknüpfungen

    Sie können Suchbegriffe mit und, oder und / oder nicht verknüpfen, z. B. Philo nicht logie.

    Klammern

    Verknüpfungen können Sie mit Klammern voneinander trennen, z. B. (Philo nicht logie) oder (Psycho und logie).

    Wortgruppen

    Zusammenhängende Worte werden als Wortgruppe gesucht, wenn Sie sie in Anführungsstriche setzen, z. B. „Bundesrepublik Deutschland“.

    Auswahlkriterien

    Die Erweiterte Suche können Sie auch nutzen, ohne Suchbegriffe einzugeben. Sie orientiert sich dann an den Kriterien, die Sie ausgewählt haben (z. B. nach dem Land oder dem Sachgebiet).

    Haben Sie in einer Kategorie kein Kriterium ausgewählt, wird die gesamte Kategorie durchsucht (z.B. alle Sachgebiete oder alle Länder).