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Abbildung 1 - Durch Laserbestrahlung erzeugte Strukturen auf der Oberfläche einer PET-Folie: a) Mikrostrukturen (~1µm),
b) Nanostrukturen (300 nm)
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Bettina Reisinger - Wie Licht Zellen den Weg weist
Laser-induced nanostructuring of polymer surfaces for applications in biotechnology
oder
Wie Licht Zellen den Weg weist
Bettina Reisinger
angefertigt am Institut für Angewandte Physik
Im Mai 1960 stellte Theodore Maiman den ersten Laser – einen Rubinlaser – vor. Seit damals ist diese Technologie von Generationen von Wissenschaftlern weiterentwickelt worden, und ist aus modernen Produktionsverfahren und in der Grundlagenforschung nicht mehr wegzudenken. Sei es zur Herstellung von mikroskopisch kleinen Strukturen auf Computerchips, zum Schweißen von Bauteilen in der Autoindustrie, für hochauflösende Mikroskopieverfahren, die Vermessung der Wolkenhöhe oder im täglichen Leben in CD- & DVD-Playern – ohne den Laser wäre das alles in dieser Form nicht möglich. Auch in der Medizin wird der Laser eingesetzt, das bekannteste Beispiel dafür sind Augenoperationen.
Ein völlig neuer Einsatzbereich des Lasers ist die Biomedizin, das Grenzgebiet zwischen Medizin und Biologie. Mit Lasern ist es auch möglich, Materialien dahingehend zu verändern, dass biologische Zellen besonders gut darauf wachsen. Eine vielversprechende Idee ist, einer bestimmten Sorte von Stammzellen – sogenannten Vorläuferzellen die im Fettgewebe vorkommen – mit Hilfe eines geeigneten Substrates einen Anreiz dazu zu geben, zu Endothelzellen zu differenzieren, die das Gewebe bilden, das die Innenwände unserer Blutgefäße auskleidet. Weil Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems immer häufiger auftreten und mittlerweile zur Volkskrankheit geworden sind, ist Forschung auf diesem Gebiet äußerst wichtig, um neue Strategien zur Behandlung von solchen Krankheiten zu entwickeln.
Besonders vielversprechend ist die Idee, diese Umwandlung der Vorläuferzellen in spezialisierte Zellen durch geeignete Nanostrukturen zu steuern (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter). Ich erzeugte solche Strukturen durch Laserbestrahlung geeigneter Polymeroberflächen (ähnliche Materialien verwendet man für PET-Getränkeflaschen). Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für eine solche Struktur. Ein optimales Substrat verbessert das Wachstum der gewünschten Zelltypen. Bei gewissen Zelltypen kann man mit diesen Strukturen möglicherweise verhindern, dass sie sich in einen anderen Zelltyp umwandeln und unerwünschtes Narbengewebe bilden. Auf welchem Material man also die Kultur aus menschlichen Stammzellen züchtet, entscheidet, in welchen anderen Zelltyp sie sich verwandeln.
Abbildung 2 - Auf nanostrukturierten Substraten kultivierte Zellen zeigen besonders gutes Wachstum: Die roten Flecken resultieren aus eingefärbten Proteinen, die beim Zellwachstum in den Kern wandern und dort die Zellteilung bzw. die Produktion anderer Proteine einleiten.
In meiner Diplomarbeit setzte ich verschiedene Excimerlaser dazu ein,
Kunststofffolien mit Mikro- und Nanostrukturen zu versehen. Die Charakterisierung der so erzeugten Oberflächen erfolgte
dann mit Hilfe diverser moderner Mikroskopie- und Analysemethoden, und schließlich untersuchte ich das Verhalten der
verschiedenen Zelltypen, die auf diesen Folien kultiviert wurden: Einerseits studierte ich bereits fertig entwickelte
Endothelzellen. Sie zeigen auf den verwendeten Substraten ein stark erhöhtes Wachstum (Abbildung 2). Andererseits untersuchte
ich den Einfluss der Oberfläche auf (aus Fettgewebe gewonnene) Stammzellen. Diese gehen in einen aktivierten Zustand über,
woraus folgt, dass ein Differenzierungsprozess gestartet wurde.
Auf beide Zelltypen wirkt sich also die Laser-Bearbeitung der Fäche günstig aus. Die Zellen haften dann mit ihrem
Skelett an der Oberseite der Strukturen. Wenn die Rillen quasi "breit" genug sind, können sich die Zellen an den
Strukturen ausrichten und sich auch entlang dieser fortbewegen. In meinen Messungen fand ich, dass die Endothelzellen
auf unseren Strukturen ca. 5-7x so stark wachsen wie auf normalen Petrischalen.
Bereits jetzt werden viele Implantate aus polymeren Materialien hergestellt,
wie z.B. Herzklappen und Blutgefäße. Ich hoffe, dass meine Ergebnisse dazu beitragen, dass das Abstoßungsrisiko weiter gesenkt
wird, oder sogar die Beschichtung der Implantate mit einem günstigen Zelltyp möglich wird.