Joachim Wendorff - HRZ Uni Marburg: Online-Media+CGI-Host
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Interdisziplinäre Ringvorlesung<br />
Nanotechnologie – Aspekte und Perspektiven<br />
Converging Sciences in <strong>Marburg</strong>:<br />
Forschungsschwerpunkte, Technologietransfer,<br />
Industriekooperationen<br />
<strong>Joachim</strong> H. <strong>Wendorff</strong> (PUM) / Peter Stumpf (TransMIT)
NBIC USA<br />
Nanotechnology, Biotechnology, Information technology, Cognitive science
Nanotechnologie<br />
Intellektuelle Herausforderung<br />
- Umgang mit dem nicht Sichtbaren<br />
- Umgang mit einem Hauch von Nichts
Ein Hauch von Nichts<br />
Im Märchen In der Natur
Ein Hauch von Nichts<br />
In der Technik – Vergleich Haar und Nanofasern
Die Nanoskala - plakativ<br />
1/1000<br />
Kanalrohr (m)<br />
1 milliardstel m 1/1000<br />
Nanoröhrchen (nm)<br />
1/1000<br />
Infusionsschlauch (mm)<br />
Haar (µm)
Die Nanowelt - neue Phänomene<br />
Mikroskopisch<br />
Atome<br />
Moleküle<br />
Quantenchemie<br />
Mesoskopisch<br />
Proteine<br />
DNA<br />
Vesikel<br />
Halbleiterquantenschichten<br />
Blockcopolymere<br />
Mesoporöse<br />
Systeme<br />
Neue Phänomene<br />
Makroskopisch<br />
Festkörper<br />
Zellen<br />
Bakterien<br />
Klassische Physik<br />
1 nm 10 nm 100 nm 1000 nm<br />
Bottom-up Top-down<br />
Templatverfahren<br />
Selbstorganisation<br />
Lithographie
Nanophänomen: Confinementeffekte<br />
Existenz einer kritischen Länge<br />
>> Halbleitereigenschaften<br />
>> Magnetische Eigenschaften<br />
>> Legierungseigenschaften
0,44 qm<br />
Nanophänomen: Oberfläche<br />
27 cm<br />
0,1 cm<br />
1 nm<br />
120 qm ca. 12qkm<br />
Beispiel: 50 kg Quarz<br />
Oberfläche wird riesig<br />
>> Katalyse<br />
>> Filterung<br />
>> Speicher
Nanophänomen: Lotuseffekt<br />
Nanostrukturierte Oberflächen induzieren Selbstreinigung
Nanoskala – eine biologische Skala<br />
Funktionalität<br />
Molekül<br />
Atom<br />
Bakterie<br />
Virus<br />
Enzym<br />
Nanoobjekt<br />
Polymer<br />
Pigment<br />
Zelle<br />
Haar<br />
Sand<br />
0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000<br />
Neue Ansätze<br />
In Medizin<br />
Pharmazie<br />
Biologie<br />
Dimension [µm]
Nanotechnologie - Querschnittstechnologie<br />
Lebenswissenschaft<br />
Medizin, Pharmazie, Landwirtschaft<br />
Energie, Katalyse, Umwelt<br />
Lagerung, Filtration, Transport<br />
Analytik, Sensorik, Elektronik<br />
Optoelektronik<br />
Datenverarbeitung/- speicherung,
3%<br />
6%<br />
Markt-Erwartungen<br />
2001: $ 54 billion 2010: $ 220 billion<br />
24%<br />
44%<br />
23%<br />
Nanoparticles and nanocomposites<br />
Ultrathin layers<br />
Ultra-precise surface<br />
processing<br />
Lateral nanostructures<br />
Measurement and analysis<br />
of nanostructures<br />
22%<br />
9%<br />
4%<br />
28%<br />
37%<br />
Source: DG Bank<br />
13
Markterwartung „Nanomedizin“ 2015<br />
Technical Insight Analysis Report<br />
Umsatz mit nano-<br />
technologischen<br />
Produkte 2015:<br />
> 15 Milliarden US$<br />
D 254 (2003) Frost & Sullivan<br />
Anwendungen:<br />
Sensorics<br />
Diagnostics<br />
Tissue Engineering<br />
Drug Delivery
Heinrich Rohrer,<br />
Gerd Binning<br />
Nanotechnologie<br />
Nobelpreisträger H. Rohrer 2003<br />
„Die Nanotechnologie wird unser Leben in<br />
nicht geringerem Maße revolutionieren als<br />
es die Mikroelektronik im letzten halben<br />
Jahrhundert getan hat. Nur die, die sich<br />
jetzt engagieren, werden diejenigen sein,<br />
die die zukünftige Entwicklung bestimmen.<br />
Lasst uns die Chance ergreifen!“.<br />
- die nächste industrielle Revolution
Aktuelle Forschungsschwerpunkte<br />
Halbleiterstrukturen / Optoelektronik<br />
Materialchemie/Technische Verfahren<br />
Umwelt und Energie<br />
Nanobiotechnologie<br />
Life Science<br />
16
Aktuelle Forschungsschwerpunkte<br />
Halbleiterstrukturen / Optoelektronik<br />
Halbleiterquantenstrukturen<br />
Nanopartikel von funktionellen Halbleitern<br />
Organische Leucht- und Feldeffekt-Transistore<br />
Organisch-anorganische Hybridhalbleiter<br />
Theorie<br />
17
(GaIn)(NAs)<br />
GaAs<br />
(GaIn)(NAs)<br />
GaAs<br />
(GaIn)(NAs)<br />
GaAs<br />
(GaIn)(NAs)<br />
GaAs<br />
(GaIn)(NAs)<br />
GaAs<br />
Übergang in Nanobereich: warum ?<br />
Halbleiterquanteneffekte<br />
100nm<br />
(GaIn)(NAs)/GaAs<br />
GaAs<br />
(GaIn)(NAs)<br />
GaAs
Metallorganische Gasphasenepithaxie<br />
Abscheidung von Nanoschichten aus Gasphase
Halbleiter-Quantenstrukturen<br />
Quantenpunkt<br />
>> Sensorik, Diagnostik<br />
Optoelektronik
Amp el-<br />
Beleuchtung<br />
Anwendungen<br />
Le u c h t-<br />
Dio d e n (LED)<br />
Halbleiter-Laser<br />
Laser-Sc hweißgeräte<br />
Medizintechnik<br />
CD-Player<br />
Telekommunikation<br />
Display-Tec hnik<br />
Mobil Telefone<br />
Ho c hle istun g s-<br />
So la rze lle n<br />
Sa telliten-<br />
Energieversorgung<br />
21
Aktuelle Forschungsschwerpunkte<br />
Materialchemie/ Technische Verfahren<br />
Kohlenstoffnanoröhrchen<br />
Templatsynthesen<br />
Technische Verfahren der Nanostrukturierung<br />
Nanoporöse Systeme<br />
Polymernanofasern, -stäbe, -röhrchen<br />
Supramolekulare Chemie<br />
22
Kohlenstoff Nanoröhrchen<br />
Einwandig, mehrwandig<br />
>> Elektronik, Mechanik, chemische Synthesen
Nanofasern >> Elektrospinnen
Nanofasern über Elektrospinnen<br />
Polylaktid Polyamid
Co-Elektrospinnen<br />
Verschiedene<br />
Erscheinungsformen
Kern-Mantel Strukturen
Polymer tubes<br />
Coating of template<br />
fibers<br />
Degradation of template<br />
fibers<br />
TUFT-Prozess<br />
Composite tubes<br />
1. Coating of template<br />
fibers<br />
2. Coating of template<br />
fibers<br />
Degradation of template<br />
fibers
Nanoröhren, Nanokabel<br />
– 10 000 x dünner als ein Haar
WASTE: Templatverfahren über Benetzung<br />
Poröses Si, Al
Poröses Templat<br />
Templat mit Polymerwand freigesetzte Röhrchen
Aktuelle Forschungsschwerpunkte<br />
Umwelt und Energie<br />
Sensorik<br />
Oberflächen<br />
Katalyse<br />
Stofftrennung<br />
Stoffspeicherung<br />
Nanofiltration<br />
32
Minisensoren, Miniaktuatoren<br />
>> Ferro-, piezo-,pyroelektrische Nanoröhren<br />
Blei-zirkonat-titanate (PZT) Nanoröhre
Kern-Schale Nanofasern für Katalyse<br />
.<br />
Pd/Rh
Hochporöse Systeme für Katalyse<br />
geringe Mengen Edelmetall<br />
hohe Katalyseaktivität<br />
Pd-Nanoröhrchen
Hoch effektive Nanofilter
Aktuelle Forschungsschwerpunkte<br />
Nanobiotechnologie<br />
Biologische Hybridverbindungen<br />
Molekulare Motoren<br />
DNA-Konstrukte<br />
Medikamentendesign<br />
Technische Anwendungen biologischer Materialien (z.B.<br />
Optik)<br />
37
Bionanotechnologie - Optische Speicherung<br />
Salines with<br />
Halo bacteria<br />
Bacteriorhodopsine<br />
Photochromism<br />
Identity card with<br />
Capacity of 1 MB<br />
Optical data storage<br />
Manifold variations possible<br />
for application-tailored properties<br />
38
Salines with<br />
Halo bacteria<br />
Bionanotechnologie<br />
Bacteriorhodopsine<br />
Photochromism<br />
Identity card with<br />
Capacity of 1 MB<br />
Optical data storage<br />
Banknoten<br />
Ausweise<br />
Zeugnisse<br />
Manifold variations possible<br />
for application-tailored properties<br />
Dokumente allgemein<br />
39
Biohybridverbindungen<br />
Verbindung natürlicher und<br />
künstlicher Motive. z.B.<br />
Rezeptormoleküle<br />
>> Heilung von<br />
-Tumoren<br />
- Alzheimer<br />
- Osteoporose<br />
- Thrombosen<br />
40
Aktuelle Forschungsschwerpunkte<br />
Life Science<br />
Gezielter Transport und Freisetzung von Medikamenten<br />
Inhalativ applizierbare Medikamente<br />
Tissue Engineering (Gewebenachzüchtung)<br />
Wundheilung<br />
Funktionalisierte Stents<br />
Pflanzenschutz<br />
41
Ziel: Ersatz von Geweben,Organen<br />
>> Gewebezüchtung mit Nanofasern<br />
„Tissue engineering“<br />
Motivation<br />
U.a. fehlendes Spendermaterial<br />
Knochen, Knorpel, Haut, Herz
Mesenchymale Stammzellen<br />
Matrix: Polylactidfasern mit Wirkstoffen
Orientiertes Wachstum der Zellen<br />
Zellen auf Fasern
Nanofasern und Wundheilung<br />
Nanofaserfilze:<br />
Porengrößen von 300 to 1000 nm<br />
Kein Eindringen von Bakterien<br />
Keine Schorfbildung<br />
Effiziente Absorption von Flüssigkeiten<br />
Homogene Abgabe von Wirkstoffen
Tragbares Elektrospinngerät für<br />
Wundbehandlung<br />
.<br />
Stab-Batterie<br />
betrieben
Drug Delivery für Tumor Therapie
Nanopartikel<br />
Herstellung:<br />
Sprühverfahren,<br />
Sonofikation<br />
Phasenseparation<br />
Kolloidverfahren<br />
Systemische Therapie
Konzept: von sphärischen zu<br />
anisometrischen Wirkstoffträgern<br />
Tobacco Mosaik Virus<br />
Stäbchen, Fasern Röhrchen<br />
Zusätzliche Parameter:<br />
Hydrodynamischer Radius<br />
Krümmung<br />
Gradienten<br />
Kompartimentierung
Beispiel: Multi-Funktionalisierung<br />
Nanostäbchen, Fasern<br />
Träger:<br />
Polylaktid<br />
><br />
Wirkstoffmodell<br />
ADFI:<br />
Fluorescent albumin with<br />
dog-fluorescein isothiocyanate<br />
Targeting:<br />
Superparamagnetische Partikel<br />
Triggering<br />
Superparamagnetische Partikel<br />
Magnetfeld-Targeting<br />
Magnetfeld-Triggering<br />
Magnetfeld-Hyperthermia
Superparamagnetische Fasern/Röhrchen<br />
Dispersion in bioabbaubaren Polylaktid
Absorbance<br />
Superparamagnetische Fasern und Röhrchen<br />
mit Funktionsstoff ADFI<br />
0.20<br />
0.16<br />
0.12<br />
0.08<br />
0.04<br />
0.00<br />
UV-vis<br />
EM<br />
350 400 450 500 550 600<br />
0<br />
650<br />
Wave length [nm]<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
Intensity [a.u.]<br />
ADFI: Fluorescent albumin with dog-fluorescein isothiocyanate
Superparamagnetische Fasern/Röhrchen<br />
Magnetisierungskurven<br />
Magnetization (emu g -1 )<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
-5<br />
-10<br />
(a)<br />
(b)<br />
(c)<br />
-15<br />
-10000 -5000 0 5000 10000<br />
Magnetic Field (Oe)<br />
a) Partikel<br />
b) Fasern<br />
c) Röhrchen
3.0<br />
2.5<br />
2.0<br />
1.5<br />
1.0<br />
0.5<br />
Modell Freisetzungsexperiment<br />
500PXVB<br />
C<br />
o<br />
n<br />
c<br />
.<br />
o<br />
f<br />
B<br />
S<br />
A<br />
(u<br />
g<br />
/m<br />
l)<br />
0.0<br />
0 5 10 15 20 25 3<br />
Immersion time (days)<br />
:<br />
3.0<br />
2.5<br />
2.0<br />
1.5<br />
1.0<br />
C<br />
o<br />
n<br />
c<br />
.<br />
o<br />
f<br />
B<br />
S<br />
A<br />
(u<br />
g<br />
/m<br />
l)<br />
0.5<br />
500PXVB<br />
Schale: 100 nm 500 nm<br />
0.0<br />
0 5 10 15 20 25 3<br />
Freisetzung von Fluoreszenz-markiertem<br />
Immersion time (days)<br />
Modellsystem aus Kern/Schale Polymernanofasern
Weitere Anwendung: Inhalation Therapie<br />
- Höhere Zurückhaltung<br />
- Deposition je nach<br />
Achsenverhältnis d.h.<br />
aerodynamischem Radius
Zwei Photonen gegen den Grauen Star<br />
Graue Star Nachstar<br />
Chemische Ausrüstung von Intra-<br />
okularlinsen mit Medikamenten<br />
Nachstarbehandlung durch spez. laser-<br />
induzierten Drugrelease aus Nanoschichten
Stents<br />
Problem:<br />
Restinose<br />
Eine Lösung:<br />
Beschichtung und<br />
Einlagerung Wirkstoffe<br />
Bessere Lösungen<br />
angestrebt
Modifikation der Oberfläche von Stents<br />
Reduktion Restinose:<br />
- Biokompatible Oberfläche<br />
- Fibrilläre Struktur<br />
- Freisetzung von Wirkstoffen
Topologie von Stents<br />
Höhe h / nm<br />
8000<br />
6000<br />
4000<br />
2000<br />
0<br />
-2000<br />
-4000<br />
-6000<br />
Jostent<br />
20 µm Low Pass Filter W q = 2786 nm<br />
20 µm High Pass Filter R q = 359 nm<br />
0 200 400 600 800 1000<br />
x-W erte / µ m
Nanofasern auf Stahl Oberflächen
Oberflächenmodifizierung von Implantaten<br />
Probleme:<br />
-biomaterial-assoziierten<br />
Infektionen<br />
-systemische Verabreichung<br />
von Antibiotika häufig<br />
erfolglos.
Oberflächenmodifizierung von Implantaten<br />
Lösung Nanofibers:<br />
- Gradient zwischen<br />
prosthetischem Implantat<br />
und weichem Gewebe<br />
-Homogene Abgabe<br />
von Antibiotika
Biotechnischer Pflanzenschutz über Pheromone<br />
Traktor des<br />
TransMIT Zentrums<br />
für<br />
Elektrospinnversuche
Converging Sciences<br />
Sich gegenseitig befähigende<br />
Technologien<br />
(enabling technologies)<br />
Anwendungsorientierte<br />
Zusammenarbeit für<br />
konkrete Problemlösungen<br />
(A. Nordmann)
Nanotechnologie<br />
mehr als 100 Nano-Drittmittel-Projekte<br />
mehr als 25 Mill. Euro Fördersumme<br />
- 200 Patente<br />
- Graduiertenlehre<br />
Internationale Vernetzung<br />
65
Nanosituation <strong>Marburg</strong>/Mittehessen<br />
Enge und erprobte Zusammenarbeit zwischen<br />
einem breiten Spektrum von Disziplinen<br />
Agrarwissenschaften, Biologie/Biochemie, Biotechnologie<br />
Chemie, Materialwissenschaften, Medizin, Pharmazie,<br />
Physik (Theorie, Experiment)<br />
(WZMW, Zentrum für Optodynamik)<br />
sowie<br />
Gesellschaftswissenschaften und Philosophie, Kulturwissenschaften<br />
Ethik und Theologie, Rechtswissenschaften, Wirtschaftswissenschaften,
Nanotechnologie: Chancen für Mittelhessen<br />
- Umsetzbarkeit in mittelständischen<br />
Unternehmen, Start-ups<br />
- Saubere (grüne) Technologie<br />
- Geringer Verbrauch an Rohstoffen<br />
- Geringer Einsatz an Energie<br />
- Hohe Wertschöpfung<br />
WICHTIG:<br />
- stark wissenschaftsdominierte Entwicklung,<br />
Produktion und Produktkontrolle<br />
- enge Zusammenarbeit mit Hochschulen, Forschungseinrichtungen<br />
notwendig
Nanotechnologie<br />
Die Region ist überaus aktiv im Bereich des Technologietransfers<br />
- Patente<br />
-Vielzahl von Firmenprojekten<br />
-Existenzgründungen<br />
-Mafex<br />
-Messebeteiligungen<br />
-Presseaktivitäten<br />
- Einrichtung TransMIT GmbH<br />
-Einrichtung TransMIT Zentren<br />
-Spezielle Zielrichtung: Mittelständische Unternehmen
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