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Leidenfrost-Chemie Aus dem Wasserbad – Maßgeschneiderte Nanopartikel gegen Krebs

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Eine interdisziplinäre Forschungsgruppe hat eine auf der so genannten „Leidenfrost-Chemie“ basierende Methode entwickelt, um Nanopartikel aus Zinkperoxid maßgeschneidert herzustellen. So können sie gezielt Einfluss auf ihre Eigenschaften nehmen, wie zum Beispiel die Schädigung von Krebszellen.

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Nanoartikel aus Zinkperoxid unter dem Rasterelektronenmikroskop (s. auch Bildergalerie)
Nanoartikel aus Zinkperoxid unter dem Rasterelektronenmikroskop (s. auch Bildergalerie)
(Bild: (c) Mady Elbahri)

Kiel – Elektronische Bauteile, Beschichtungen oder Arzneimittel – Nanopartikel, kleiner als das menschliche Haar, können ganz unterschiedliche Eigenschaften und damit vielseitige Anwendungsmöglichkeiten haben. Die jeweilige Funktion hängt vor allem von der Größe der Partikel ab. Eine interdisziplinäre Forschungsgruppe, darunter Mitglieder des Forschungsschwerpunktes Nanowissenschaften und Oberflächenforschung und des Exzellenzclusters Entzündungsforschung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), hat eine Methode entwickelt, um Partikel aus Zinkperoxid maßgeschneidert herzustellen. So können sie gezielt Einfluss auf ihre Eigenschaften nehmen, wie zum Beispiel die Schädigung von Krebszellen. Erste Ergebnisse machen langfristig einen Einsatz in der Krebstherapie denkbar.

Herstellung von Nanopartikeln mittels „Leidenfrost-Chemie“

Für ihre neue Methode zur Herstellung von Nanopartikeln machen sich die Forschenden den sogenannten Leidenfrost-Effekt zu Nutze: Fällt ein Wassertropfen auf eine Oberfläche, die sehr viel heißer ist als der Siedepunkt des Wassers, beginnt er gewissermaßen zu schweben, bis er vollständig verdampft ist. Der Wassertropfen kann dabei als Mikro-Reaktor dienen, in dem sich kleine Nanopartikel bilden. #

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Der Materialwissenschaftler und Chemiker Mady Elbahri beschäftigt sich seit Jahren mit der nach diesem Prinzip benannten „Leidenfrost-Chemie“. „Von meinen bisherigen Forschungen in der Materialwissenschaft wusste ich, dass die Größe von Partikeln entscheidend ist für ihre Fähigkeiten“, sagt Elbahri. „Diese Idee wollte ich übertragen auf die Herstellung von Zinkperoxid-Kugeln im Nanomaßstab.“ Als Mitglied des Sonderforschungsbereichs 677 „Funktion durch Schalten“ forscht Elbahri seit 2009 als Professor für Nanochemistry and Nanoengineering an der CAU und seit kurzem auch an der Aalto University in Helsinki.

Zinkperoxid gilt – noch mehr als einfaches Zinkoxid – als besonders effektiver Sauerstofflieferant. Das macht es zu einem interessanten Material für die Behandlung von Krankheiten wie zum Beispiel Krebs. Für Zinkoxid liegen bereits Untersuchungen vor, die zeigen, dass es den Anteil an reaktivem Sauerstoff in Zellen übermäßig erhöht und mit dieser „Sauerstoff-Übersättigung“ zu ihrem Tod führt. Um Zinkperoxid-Partikel in einer bestimmten Größe gezielt herstellen zu können, schauten sich die Forschenden genauer an, wie der Leidenfrost-Effekt speziell unter Wasser wirkt, etwa bei Vulkanaktivitäten in der Tiefsee. Diese Prinzipien übertrugen sie auf ihre Arbeit im Labor.

Für die Herstellung der Partikel nutzten sie statt eines einzelnen Wassertropfens ein Wasserbad auf einer Herdplatte. Auf den Boden gaben sie eine Lösung aus Zinkazetat und Wasserstoffperoxid. Dort ist es besonders heiß und es herrscht eine hohe Konzentration an Ionen – ideale Bedingungen für die Bildung von Partikeln. Die entstandenen Partikel stiegen anschließend in den kühleren Bereich des Wasserbades auf, wo sie sich zu Gruppen zusammenschlossen und alle auf dieselbe Größe wuchsen. Erst die Trennung der zwei Phasen Partikelbildung und Partikelwachstum macht es möglich, gleichgroße Teilchen in großer Zahl kontrolliert herzustellen. Über die Zusammensetzung der Zinkazetatlösung variierten die Forschenden die Partikelgröße in sieben Stufen von 70 bis 680 Nanometer.

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