Dreidimensionale Struktur aus Biomolekülen für künstliches Gewebe

Wien (Österreich) – Beim sogenannten Photografting können Biomoleküle auf eine Oberfläche oder ein Hydrogel aufgebracht werden, um zum Beispiel Gewebe zu züchten. Eine dreidimensionale Struktur zu schaffen, war bislang jedoch schwierig, vor allem wenn gleichzeitig die chemischen Eigenschaften des Materials beeinflusst werden sollten. Ein Forscherteam entwickelte nun eine Methode, bei der ein Laser die Moleküle an genau definierten Stellen andocken lässt. Die Wissenschaftler hoffen, damit in Zukunft zum Beispiel die innere Struktur von Blutkapillaren nachbilden zu können. Ihre Methode stellen sie in der Zeitschrift „Advanced Functional Materials“ vor.

Sternförmiges Muster aus fünf Schlaufen, die grün vor einem schwarzen Hintergründ fluoreszieren.
Muster aus fluoreszierenden Molekülen

„Ein Material aus winzigen Bausteinen mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften zusammenzusetzen ist extrem aufwändig“, erklärt Aleksandr Ovsianikov vom Institut für Werkstoffwissenschaften der Technischen Universität Wien. „Man geht daher von einem bestehenden dreidimensionalen Gerüst aus und bringt punktgenau an den gewünschten Stellen bestimmte Moleküle an.“ Als Basis nutzen Ovsianikov und seine Kollegen ein Hydrogel auf einer Basis von Polyethylenglykol. Es besteht aus Makromolekülen, die zu einem lockeren Netzwerk verbunden sind. Die Zwischenräume sind groß genug, damit andere Moleküle oder ganze Zellen sie durchdringen können.

Nachdem die Forscher die gewünschten Moleküle in das Netzwerk eingebracht hatten, bestrahlten sie mit einem Laser nur die Stellen, an denen die Moleküle anhaften sollen. Durch die Energie des fokussierten Strahls brechen Bindungen zwischen den Molekülketten, es entstehen Zwischenprodukte, die mit dem Hydrogel reagieren und sich so in das Netzwerk einfügen. Wie präzise die Position festgelegt werden kann, hängt vom Linsensystem des Lasers ab. Mit ihrem Laser erriechten die Forscher eine Genauigkeit von vier Mikrometerrn – das entspricht etwa der Hälfte des Durchmessers eines roten Blutkörperchens.

Schematische Darstellung, der Laserstrahl ist als rote Spite dargestellt, die in eine gelbe, halb durchsichtige Schicht aus Hydrogel taucht. Im Hydrogel entstehen fadenförmige, grüne Strukturen in einem regelmäßigen Muster.
3D-Photografting

Auf die gleiche Weise könnten Aminosäuren in der Hydrogelstruktur fixiert werden. Fließen anschließend Zellen durch das Netzwerk, docken sie nur an bestimmten Aminosäuresequenzen an. Dadurch wächst ein künstliches Gewebe auf der dreidimensionalen Matrix. Weitere Einsatzmöglichkeiten sehen die Entwickler bei der Herstellung organischer Solarzellen oder im Bereich Bioengineering. Denkbar wäre zum Beispiel ein Biosensor aus einem dreidimensionales „Lab-on-a-Chip“, bei dem die speziell angeordneten Moleküle auf Stoffe in der Umgebung reagieren.