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Oberflächennanoblasen

Kleine Bläschen – großes Potenzial

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Die lokale Strahlendosis in der Krebstherapie ortsaufgelöst zu ermitteln, ist eine ihrer vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Oberflächennanoblasen und Bulk-Nanoblasen wird großes Potenzial zugeschrieben. Doch was sind das überhaupt für Bläschen und ist der Hype begründet?

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Abb. 1: Prof. Dr. Holger Schönherr forscht unter anderem an der Analyse von Nanoblasen mit der Rasterkraft­mikroskopie (AFM) und kombinierten AFM-optischen Methoden.
Abb. 1: Prof. Dr. Holger Schönherr forscht unter anderem an der Analyse von Nanoblasen mit der Rasterkraft­mikroskopie (AFM) und kombinierten AFM-optischen Methoden.
(Bild: Universität Siegen)

LP: Herr Prof. Schönherr, Oberflächennanoblasen – was ist das?

Prof. Dr. Holger Schönherr: Oberflächennanoblasen sind sehr kleine deformierbare Gasbläschen, die an der Grenzfläche zwischen Feststoffen und einem meist wässrigen Medium anhaften können. Sie besitzen die Form einer flachen kugelförmigen Kappe und sind trotz des Laplacedrucks überraschenderweise sehr stabil.

LP: Und wie weist man sie nach?

Prof. Schönherr: Da die Abmessungen der Oberflächennanoblasen mit einer typischen Höhe von wenigen bis einigen zehn Nanometern und einem Durchmesser von einigen zehn bis einigen hundert Nanometern sehr klein sind und sie mit Gas gefüllt sein sollten, ist ein Nachweis experimentell sehr herausfordernd. Dies gilt insbesondere für den direkten Nachweis, dass die Bläschen mit Gas gefüllt sind, und sie nicht, wie in einigen Studien gezeigt wurde, nur vermeintliche Gasbläschen sind, sondern vielmehr Silikon-Öltröpfchen, die auf Verunreinigungen zurückzuführen sind. In diesen Arbeiten von Lohse et al. wurde die Unterscheidung durch Entgasung des wässrigen Mediums indirekt gezeigt. Auf Proben, die mit Silikon-Öltröpfchen versehen waren, wurden in AFM-Untersuchungen (atomic force microscopy, AFM, Rasterkraftmikroskopie) trotz mehrstündiger Entgasung des Mediums Nanoobjekte mit der Form einer kugelförmigen Kappe beobachtet. Im Gegensatz dazu verschwanden „echte“ Oberflächennanoblasen durch die Entgasung.

Ein direkter Nachweis muss aber die Anwesenheit der Gasphase in den Nanoobjekten zeigen bzw. das Vorhandensein einer Wasser-Luft Grenzfläche der ultrakleinen Bläschen lokal nachweisen.

LP: Ist Ihnen das gelungen?

Prof. Schönherr: Der konklusive Nachweis von gasgefüllten Oberflächennanoblasen und v.a. die Unterscheidung von Silikon-Öltröpfchen gelangen uns kürzlich dadurch, dass wir die Standardmikroskopie-Methode AFM mit der Fluoreszenzlebensdauermikroskopie (FLIM) gekoppelt haben. Mithilfe von Spuren eines geeigneten Farbstoffs lässt sich durch die Messung der sog. Fluoreszenzlebensdauer abfragen, in welcher Umgebung sich die Farbstoffmoleküle befinden. Mithilfe der „time correlated single photon counting“ (TCSPC) genannten zeitaufgelösten Fluoreszenzmethode kann man diesen Parameter vortrefflich bestimmen und im Konfokalmikroskop lateral aufgelöst abbilden. Diese Fluoreszenzlebensdauer ist an der Wasser-Luft-Grenzfläche wesentlich kürzer als die an der Glas-Wasser-Grenzfläche gemessene, oder die Lebensdauer des molekular in Wasser gelösten Rhodamin-6G-Farbstoffs. Essenziell ist dabei v.a. die simultane Beobachtung der co-lokalisierten topographischen Information durch AFM mit den neuartigen zeitaufgelösten Fluoreszenzdaten. Da der Farbstoff in Silikon-Öltröpfchen eine signifikant längere Fluoreszenzlebensdauer aufweist als an der Wasser-Luft-Grenzfläche, ist eine Unterscheidung verlässlich und eindeutig möglich.

LP: Nach ihrer Entdeckung hat man Oberflächen-Nanoblasen revolutionäres Potenzial für unterschiedlichste Anwendungsbereiche zugesprochen. Zu hoch gegriffen?

Prof. Schönherr: Diese Aussage ist so, wie sie kolportiert wird, sicherlich nicht ganz korrekt. Unwidersprochen ist jedoch, dass viele neue oder signifikant verbesserte Anwendungen durch sog. „bulk“-Nanoblasen möglich sein sollten. Das sind in Analogie zur den eben besprochenen Oberflächennanoblasen kleinste Bläschen, die sich frei in Lösung befinden. Diese haben, sofern man sie mit kontrollierter Größe herstellen und entsprechend stabilisieren kann, ein sehr großes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis. Dies sollte bei Grenzflächen-kontrollierten Prozessen, wie u.a. Trennprozessen, Verfahren zur Wasseraufbereitung oder Beseitigung von Ölverunreinigungen sehr nützlich sein. Zahlreiche experimentelle Beobachtungen zeigen zudem, dass sich das Wachstum von Pflanzen oder Fischen in Wasser, das mit Sauerstoffnanoblasen versehen wurde, signifikant erhöhen lässt. Das alles hätte zweifelsohne einen sehr großen Impact. Eine fundierte Bewertung ist hier zurzeit allerdings schwierig, da der Nachweis von stabilen gasgefüllten Sauerstoffnanoblasen bislang nicht möglich war.

Zudem können bereits heute angewendete Ultraschallkontrastmittel, die aus Lipid- oder Polymer-stabilisierten Mikroblasen fluorierter Gase bestehen, bei Verkleinerung der Blasendurchmesser zu ganz neuartigen Anwendungen führen. Der Zugang zu Blutgefäßen mit sehr kleinem Durchmesser erscheint hier möglich. Besonders innovativ ist jedoch v.a.das Vorhaben, solche Nanoblasen zur Bestimmung der lokalen Strahlendosis in der Krebstherapie zu entwickeln. Mittels Ultraschall könnte die Wirkung der Strahlung auf Nanoblasen und somit den Tumor ortsaufgelöst verfolgt werden, was für den Patienten von großem Vorteil ist. Entsprechende vielversprechende Forschungsvorhaben sind gegenwärtig geplant und werden auch bei der Fachtagung Nanobubble 2020 im September 2020 in Magdeburg intensiv diskutiert.

LP: Welchen Schwerpunkt wird Ihre weitere Forschung haben?

Prof. Schönherr: Unsere Forschung in diesem Gebiet zielt anhand der von uns neu konzipierten Nachweismethode auf Basis der Fluoreszenzlebensdauermessung v.a. darauf ab, „bulk“-Nanoblasen in Flüssigkeiten nachzuweisen. Zudem wollen wir die Stabilisierungsmechanismen untersuchen und aufklären, und somit neben dem eigentlichen Nachweis auch Struktur-Eigenschaftsbeziehungen einer Untersuchung zugänglich machen. Gleichzeitig sind diese Methoden für die Charakterisierung von Apparaten zur Herstellung von Nanoblasen unerlässlich, sodass hier Grundlagenforschung und Anwendung Hand in Hand gehen. Anwendungsfelder, die für uns ebenfalls von Interesse sind, betreffen u.a. die Beseitigung bakterieller Biofilme durch Nanoblasen und Ultraschall sowie die schonende Sterilisierung von Lebensmitteln.

Herr Prof. Schönherr, vielen Dank für das Gespräch.

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