Zukunft Forschung 01/2023

TITELTHEMA
TITELTHEMA
CHEMISCHE SIMULATION: Thomas Hofer kann das Verhalten der metallorganischen Verbindungen zuverlässig modellieren.
NEUE WEGE IN DER
MATERIALENTWICKLUNG
Metallorganische Verbindungen sind eine zukunftsweisende Materialklasse mit zahlreichen
Anwendungsmöglichkeiten. Chemiker:innen um Thomas Hofer arbeiten an Methoden zur Simulation
dieser Verbindungen, um ihren Einsatz zu optimieren.
MOF – die drei Buchstaben stehen
für Metal Organic Framework,
auf deutsch Metallorganische
Gerüstverbindung. MOFs repräsentieren
eine Klasse von Materialien, die aus metallhaltigen
Knotenpunkten und organischen
Liganden aufgebaut und in einem
regelmäßigen, dreidimensionalen Gitter
angeordnet sind. Durch die Kombination
verschiedener Metallknoten und Liganden
können MOFs mit unterschiedlichen
Eigenschaften hergestellt werden, was ihre
Anwendbarkeit sehr vielseitig macht.
„Metal Organic Frameworks
können als Träger für Wirkstoffe
wie Medikamente, Peptide
oder Proteine dienen, die dann
kontrolliert freigesetzt werden
können.“
Thomas Hofer
Entdeckt wurden die Verbindungen
erstmals Anfang der 1990er-Jahre, seitdem
stehen sie im Zentrum des Interesses
zahlreicher Forschungsarbeiten.
„MOFs weisen ein hohes, inneres Volumen
auf und können Gastmoleküle in ihren
Poren speichern. Dies macht sie ideal
für die Lagerung und Freisetzung von
Wasserstoff, Kohlendioxid und anderen
Gasen“, erklärt Thomas Hofer, assoziierter
Professor am Institut für Allgemeine,
Anorganische und Theoretische Chemie
der Universität Inns bruck. „Zudem ist
ihr Einsatz auch für die Wirkstofffreisetzung
in der Medizin sehr interessant:
Sie können als Träger für Wirkstoffe wie
Medikamente, Peptide oder Proteine
dienen, die dann kontrolliert freigesetzt
werden können. Die Porosität der MOFs
soll eine höhere Wirkstoffbeladung und
eine bessere Kontrolle der Freisetzung als
bei herkömmlichen Materialien ermöglichen“,
so der Chemiker.
Es gibt beispielsweise MOFs, die aufgrund
ihres Aufbaus Wirkstoffe sicher
durch das saure Magenmilieu transportieren
könnten oder andererseits in tendenziell
sauren Tumorgeweben zerfallen
und ihr Gastmolekül – in diesem Fall
einen Wirkstoff – genau dort freigeben,
wo es wirken soll. „Diese Technologie hat
enormes Potenzial, auch für Wirkstoffe,
die nur deshalb nicht weiter erforscht
wurden, weil sie nicht effizient genug an
das Ziel ihrer Wirkung gebracht werden
konnten“, beschreibt Hofer. Seine Arbeit
konzentriert sich auf die Simulation dieser
vielversprechenden Verbindungen,
um ihre charakteristischen Eigenschaften
zum einen besser zu verstehen und
zum anderen ihre Einsatzmöglichkeiten
zu optimieren. Um stabil zu sein, müssen
die einzelnen Verbindungen in MOFs
eine möglichst neutrale Position einnehmen,
in der sie sich weder zu stark anziehen
noch zu stark abstoßen. „Ziel unserer
Forschung ist es, die Simulation dieser
Anziehung und Abstoßung in Wechselwirkung
so exakt wie möglich nachzustellen,
um stabile Gerüstverbindungen
zu modellieren, noch bevor sie im Labor
hergestellt wurden“, erklärt Thomas
Hofer.
ILLUSTRATION EINER chemischen
Simulation eines Gast@MOF-Systems. In
diesem Beispiel wurden zwei Moleküle
des Krebsmedikaments Fluorouracil in
die metallorganische Gerüstverbindung
MOF-5 eingebettet. Das Simulationssystem
besteht aus 448 Atomen. (grau
= Kohlenstoff, weiß = Wasserstoff, rot =
Sauerstoff, blau = Stickstoff; cyan = Fluor;
schwarz = Zink)
Komplexe Simulationen
In Simulationen berechnen die Wissenschaftler:innen
um Hofer zum einen das
Verhalten und die Stabilität der Gerüstverbindung
an sich, zum anderen berechnen
sie auch die Wechselwirkungen des
Wirtsmaterials mit den je nach Anwendungsart
verschiedenen Gastmolekülen.
„MOFs haben vergleichsweise viele Teilchen,
die zu beschreiben sind. Ein weiteres
Spezifikum ist ihre Wechselwirkung
mit Kräften von außen: Normalerweise
dehnen sich Materialien bei Erwärmung
aus. Es gibt aber zum Beispiel auch
MOFs, die sich bei Erwärmung kontrahieren.
All diese Faktoren gilt es bei unseren
Simulationen zu berücksichtigen“,
erklärt Thomas Hofer.
Aufgrund der Komplexität dieser Berechnungen
greifen die Wissenschaftler:innen
unter anderem auf Konzepte
des maschinellen Lernens zurück. Basierend
auf bestehenden Methoden haben
Hofer und sein Team so eine neue
Software programmiert, die es möglich
macht, das Verhalten dieser komplexen
Systeme schnell und zuverlässig zu simulieren.
„Damit eine derartige Simulation
gelingt, müssen die Kräfte, die auf
die Atome wirken, so exakt wie möglich
in der Berechnung nachgestellt werden“,
erklärt der Chemiker. „Eine neuartige
Methode, die diese atomaren Kräfte
trotz geringer Berechnungszeit mit hoher
Genauigkeit wiedergeben kann, sind
neuronale Netzwerk-Potenziale – diese
wurden mit unserer Simulations-Software
kombiniert. Auf diese Weise konnte
ein Verfahren entwickelt werden, das um
einen Faktor 100 schneller ist als etablierte
Anwendungen und dabei im Wesentlichen
dieselben Ergebnisse liefert“, so
Hofer.
Noch sind die Chemiker:innen dabei,
die von ihnen entwickelte Methode zu
validieren und ihre Verlässlichkeit zu
belegen. In einer kürzlich publizierten
Arbeit konnten sie mit einer Simulationsreihe
verschiedener organischer Gerüstverbindungen
als CO 2 -Speicher bereits
zeigen, dass ihre Methode eine adäquate
Alternative für die Untersuchung dieser
komplexen Substanzklassen darstellt und
den Bereich für rechnerische Studien mit
diesem Schwerpunkt erheblich erweitert.
Beschichtete Nanopartikel
Neben den Simulationen MOF-basierter
Materialien arbeiten die Chemiker:innen
um Hofer derzeit auch an Simulationen
beschichteter Nanopartikeln, die unter
anderem in der Tumortherapie zum Einsatz
kommen könnten. Beispielsweise
zeigen Nanopartikel aus Magnetit magnetische
Eigenschaften – mithilfe von
Magneten könnten sie gezielt in bestimmte
Zellen des Körpers und somit
auch in Tumorgewebe gelenkt werden.
Da Eisen im Körper toxisch wirkt, müssen
die Nanopartikel allerdings beschichtet
werden. In Zusammenarbeit mit der
UMIT TIROL simulieren Thomas Hofer
und sein Team das Verhalten dieser beschichteten
Nanopartikel. „Ziel ist es natürlich,
die mit Amylose oder Zitronensäure
beschichteten Nanopartikel möglichst
zahlreich gezielt in Tumorzellen
anzureichern“, so Hofer. „Um das zu erreichen,
muss man allerdings genau wissen,
welche Kräfte wirken, wenn sich
zwei dieser Teilchen begegnen oder
wenn mehrere Nanoteilchen gleichzeitig
im Blutkreislauf verteilt sind.“ Mithilfe
der von ihnen entwickelten Methode
können Hofer und sein Team das Verhalten
der Nanoteilchen unter Einbeziehung
aller auf sie wirkenden Kräfte genau modellieren
und liefern so wichtige Daten
für die Weiterentwicklung dieses Therapieansatzes.
sr
THOMAS HOFER (*1978 in Inns bruck)
studierte Chemie an der Universität Innsbruck
und habilitierte sich hier 2011 im
Fach Theoretische Chemie und Computerchemie.
Seit 2011 ist er assoziierter
Professor am Institut für Allgemeine,
Anorganische und Theoretische Chemie.
16 zukunft forschung 01/23
Fotos: Andreas Friedle; Grafik: Thomas Hofer
zukunft forschung 01/23 17