In einem Prozess, der so einfach ist wie das Rühren von Eiern und Mehl in Pfannkuchen, haben Forscher der University of Oregon fluoreszierende ringförmige Moleküle in einem neuartigen 3D-Druckverfahren gemischt. Das Ergebnis: komplizierte leuchtende Strukturen, die die Entwicklung neuartiger biomedizinischer Implantate unterstützen.
Der Fortschritt löst eine seit langem bestehende Designherausforderung, indem er die Verfolgung und Überwachung der Strukturen im Körper im Laufe der Zeit erleichtert und es Forschern ermöglicht, leicht zu unterscheiden, was Teil eines Implantats und was Zellen oder Gewebe sind.
Die Entdeckung entstand aus einer Zusammenarbeit zwischen Paul Daltons Ingenieurlabor auf dem Phil and Penny Knight Campus for Accelerating Scientific Impact und Ramesh Jasti’s Chemielabor am College of Arts and Sciences der UO. Die Forscher beschreiben ihre Ergebnisse in einem Papier veröffentlicht diesen Sommer im Journal Klein.
„Ich denke, es war einer dieser seltsamen Momente, in denen wir sagten: ‚Lass es uns versuchen‘, und es hat praktisch sofort funktioniert“, sagte Dalton.
Aber hinter dieser einfachen Entstehungsgeschichte stecken Jahre spezialisierter Forschung und Fachwissen in zwei sehr unterschiedlichen Bereichen, bevor sie schließlich zusammenkamen.
Daltons Labor ist auf komplizierte, neuartige Formen des 3D-Drucks spezialisiert. Die charakteristische Entwicklung seines Teams ist eine Technik namens Schmelzelektroschreiben, die es ermöglicht, relativ große Objekte mit sehr feiner Auflösung in 3D zu drucken. Mit dieser Technik hat das Team Netzgerüste gedruckt, die für verschiedene Arten biomedizinischer Implantate verwendet werden könnten.
Solche Implantate könnten für so unterschiedliche Anwendungen wie neue Wundheilungstechnologien, künstliche Blutgefäße oder Strukturen zur Unterstützung der Nervenregeneration eingesetzt werden. In einem aktuellen Projekt arbeitete das Labor mit dem Kosmetikunternehmen L’Oreal zusammen und nutzte die Gerüste, um ein zu schaffen realistische mehrschichtige Kunsthaut.
Jastis Labor ist mittlerweile für seine Arbeiten zu Nanoreifen bekannt. ringförmige Moleküle auf Kohlenstoffbasis die über eine Vielzahl interessanter Eigenschaften verfügen und anhand der genauen Größe und Struktur der ringförmigen Reifen anpassbar sind. Die Nanoreifen fluoreszieren hell, wenn sie ultraviolettem Licht ausgesetzt werden, und strahlen je nach Größe und Struktur unterschiedliche Farben aus.
Beide Labore wären vielleicht auf ihrem eigenen Weg geblieben, wenn es nicht ein lockeres Gespräch gegeben hätte, als Dalton ein neuer Professor an der UO war und begierig darauf war, Kontakte zu knüpfen und andere Fakultätsmitglieder kennenzulernen. Er und Jasti hatten die Idee, die Nanoreifen in die 3D-Gerüste zu integrieren, an denen Dalton bereits arbeitete. Dadurch würden die Strukturen leuchten, eine nützliche Funktion, die es einfacher machen würde, ihren Verbleib im Körper zu verfolgen und die Strukturen von ihrer Umgebung zu unterscheiden.
„Wir dachten, dass es wahrscheinlich nicht funktionieren würde“, sagte Jasti. Aber es geschah ziemlich schnell.
Die Menschen hätten in der Vergangenheit versucht, die Gerüste zum Leuchten zu bringen, ohne Erfolg, sagte Dalton. Die meisten fluoreszierenden Moleküle zerfallen unter der langen Hitzeeinwirkung, die für seine 3D-Drucktechnik erforderlich ist. Die Nanoreifen des Jasti-Labors sind bei hohen Temperaturen viel stabiler.
Auch wenn beide Gruppen ihr Handwerk vielleicht einfach aussehen lassen, „ist die Herstellung von Nanohoops wirklich schwierig, und Schmelzelektroschreiben ist wirklich schwierig, daher ist die Tatsache, dass wir diese beiden wirklich komplexen und unterschiedlichen Bereiche zu etwas wirklich Einfachem zusammenführen konnten, unglaublich.“ „, sagte Harrison Reid, ein Doktorand in Jasti’s Labor.
Nur eine kleine Menge fluoreszierender Nanoreifen, die der 3D-Druckmaterialmischung beigemischt werden, ergibt langlebig leuchtende Strukturen, fanden die Forscher heraus. Da die Fluoreszenz durch UV-Licht aktiviert wird, sehen die Gerüste unter normalen Bedingungen immer noch klar aus.
Während das ursprüngliche Konzept sehr schnell funktionierte, dauerte es mehrere Jahre weiterer Tests, um das Material vollständig auszuloten und sein Potenzial einzuschätzen, sagte Patrick Hall, ein Doktorand in Daltons Labor.
Hall und Dalton führten beispielsweise eine Reihe von Tests durch, um zu bestätigen, dass die Zugabe von Nanoreifen keinen Einfluss auf die Festigkeit oder Stabilität des 3D-gedruckten Materials hatte. Sie bestätigten auch, dass die Zugabe der fluoreszierenden Moleküle das resultierende Material nicht toxisch für Zellen machte, was für biomedizinische Anwendungen wichtig ist und eine wichtige Grundvoraussetzung ist, die erfüllt werden muss, bevor es näher an die menschliche Anwendung gelangen kann.
Das Team stellt sich eine Reihe möglicher Anwendungen für die von ihnen geschaffenen leuchtenden Materialien vor. Dalton ist besonders am biomedizinischen Potenzial interessiert, aber ein anpassbares Material, das unter UV-Licht leuchtet, könnte auch für Sicherheitsanwendungen von Nutzen sein, sagte Jasti.
Sie haben den Fortschritt zum Patent angemeldet und hoffen, ihn schließlich kommerzialisieren zu können. Und sowohl Jasti als auch Dalton sind dankbar für den Zufall, der sie zusammengebracht hat.
„Wir bekommen coole neue Wege, wenn Leute zusammenkommen, die normalerweise nicht über ihre Wissenschaft diskutieren“, sagte Dalton.
Weitere Informationen:
Patrick C. Hall et al., [n]Cycloparaphenylene als kompatible Fluorophore für das Schmelzelektroschreiben, Klein (2024). DOI: 10.1002/small.202400882