Zukunft Forschung 01/2023
Das Forschungsmagazin der Universität Innsbruck
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TITELTHEMA<br />
TITELTHEMA<br />
CHEMISCHE SIMULATION: Thomas Hofer kann das Verhalten der metallorganischen Verbindungen zuverlässig modellieren.<br />
NEUE WEGE IN DER<br />
MATERIALENTWICKLUNG<br />
Metallorganische Verbindungen sind eine zukunftsweisende Materialklasse mit zahlreichen<br />
Anwendungsmöglichkeiten. Chemiker:innen um Thomas Hofer arbeiten an Methoden zur Simulation<br />
dieser Verbindungen, um ihren Einsatz zu optimieren.<br />
MOF – die drei Buchstaben stehen<br />
für Metal Organic Framework,<br />
auf deutsch Metallorganische<br />
Gerüstverbindung. MOFs repräsentieren<br />
eine Klasse von Materialien, die aus metallhaltigen<br />
Knotenpunkten und organischen<br />
Liganden aufgebaut und in einem<br />
regelmäßigen, dreidimensionalen Gitter<br />
angeordnet sind. Durch die Kombination<br />
verschiedener Metallknoten und Liganden<br />
können MOFs mit unterschiedlichen<br />
Eigenschaften hergestellt werden, was ihre<br />
Anwendbarkeit sehr vielseitig macht.<br />
„Metal Organic Frameworks<br />
können als Träger für Wirkstoffe<br />
wie Medikamente, Peptide<br />
oder Proteine dienen, die dann<br />
kontrolliert freigesetzt werden<br />
können.“ <br />
Thomas Hofer<br />
Entdeckt wurden die Verbindungen<br />
erstmals Anfang der 1990er-Jahre, seitdem<br />
stehen sie im Zentrum des Interesses<br />
zahlreicher <strong>Forschung</strong>sarbeiten.<br />
„MOFs weisen ein hohes, inneres Volumen<br />
auf und können Gastmoleküle in ihren<br />
Poren speichern. Dies macht sie ideal<br />
für die Lagerung und Freisetzung von<br />
Wasserstoff, Kohlendioxid und anderen<br />
Gasen“, erklärt Thomas Hofer, assoziierter<br />
Professor am Institut für Allgemeine,<br />
Anorganische und Theoretische Chemie<br />
der Universität Inns bruck. „Zudem ist<br />
ihr Einsatz auch für die Wirkstofffreisetzung<br />
in der Medizin sehr interessant:<br />
Sie können als Träger für Wirkstoffe wie<br />
Medikamente, Peptide oder Proteine<br />
dienen, die dann kontrolliert freigesetzt<br />
werden können. Die Porosität der MOFs<br />
soll eine höhere Wirkstoffbeladung und<br />
eine bessere Kontrolle der Freisetzung als<br />
bei herkömmlichen Materialien ermöglichen“,<br />
so der Chemiker.<br />
Es gibt beispielsweise MOFs, die aufgrund<br />
ihres Aufbaus Wirkstoffe sicher<br />
durch das saure Magenmilieu transportieren<br />
könnten oder andererseits in tendenziell<br />
sauren Tumorgeweben zerfallen<br />
und ihr Gastmolekül – in diesem Fall<br />
einen Wirkstoff – genau dort freigeben,<br />
wo es wirken soll. „Diese Technologie hat<br />
enormes Potenzial, auch für Wirkstoffe,<br />
die nur deshalb nicht weiter erforscht<br />
wurden, weil sie nicht effizient genug an<br />
das Ziel ihrer Wirkung gebracht werden<br />
konnten“, beschreibt Hofer. Seine Arbeit<br />
konzentriert sich auf die Simulation dieser<br />
vielversprechenden Verbindungen,<br />
um ihre charakteristischen Eigenschaften<br />
zum einen besser zu verstehen und<br />
zum anderen ihre Einsatzmöglichkeiten<br />
zu optimieren. Um stabil zu sein, müssen<br />
die einzelnen Verbindungen in MOFs<br />
eine möglichst neutrale Position einnehmen,<br />
in der sie sich weder zu stark anziehen<br />
noch zu stark abstoßen. „Ziel unserer<br />
<strong>Forschung</strong> ist es, die Simulation dieser<br />
Anziehung und Abstoßung in Wechselwirkung<br />
so exakt wie möglich nachzustellen,<br />
um stabile Gerüstverbindungen<br />
zu modellieren, noch bevor sie im Labor<br />
hergestellt wurden“, erklärt Thomas<br />
Hofer.<br />
ILLUSTRATION EINER chemischen<br />
Simulation eines Gast@MOF-Systems. In<br />
diesem Beispiel wurden zwei Moleküle<br />
des Krebsmedikaments Fluorouracil in<br />
die metallorganische Gerüstverbindung<br />
MOF-5 eingebettet. Das Simulationssystem<br />
besteht aus 448 Atomen. (grau<br />
= Kohlenstoff, weiß = Wasserstoff, rot =<br />
Sauerstoff, blau = Stickstoff; cyan = Fluor;<br />
schwarz = Zink)<br />
Komplexe Simulationen<br />
In Simulationen berechnen die Wissenschaftler:innen<br />
um Hofer zum einen das<br />
Verhalten und die Stabilität der Gerüstverbindung<br />
an sich, zum anderen berechnen<br />
sie auch die Wechselwirkungen des<br />
Wirtsmaterials mit den je nach Anwendungsart<br />
verschiedenen Gastmolekülen.<br />
„MOFs haben vergleichsweise viele Teilchen,<br />
die zu beschreiben sind. Ein weiteres<br />
Spezifikum ist ihre Wechselwirkung<br />
mit Kräften von außen: Normalerweise<br />
dehnen sich Materialien bei Erwärmung<br />
aus. Es gibt aber zum Beispiel auch<br />
MOFs, die sich bei Erwärmung kontrahieren.<br />
All diese Faktoren gilt es bei unseren<br />
Simulationen zu berücksichtigen“,<br />
erklärt Thomas Hofer.<br />
Aufgrund der Komplexität dieser Berechnungen<br />
greifen die Wissenschaftler:innen<br />
unter anderem auf Konzepte<br />
des maschinellen Lernens zurück. Basierend<br />
auf bestehenden Methoden haben<br />
Hofer und sein Team so eine neue<br />
Software programmiert, die es möglich<br />
macht, das Verhalten dieser komplexen<br />
Systeme schnell und zuverlässig zu simulieren.<br />
„Damit eine derartige Simulation<br />
gelingt, müssen die Kräfte, die auf<br />
die Atome wirken, so exakt wie möglich<br />
in der Berechnung nachgestellt werden“,<br />
erklärt der Chemiker. „Eine neuartige<br />
Methode, die diese atomaren Kräfte<br />
trotz geringer Berechnungszeit mit hoher<br />
Genauigkeit wiedergeben kann, sind<br />
neuronale Netzwerk-Potenziale – diese<br />
wurden mit unserer Simulations-Software<br />
kombiniert. Auf diese Weise konnte<br />
ein Verfahren entwickelt werden, das um<br />
einen Faktor 100 schneller ist als etablierte<br />
Anwendungen und dabei im Wesentlichen<br />
dieselben Ergebnisse liefert“, so<br />
Hofer.<br />
Noch sind die Chemiker:innen dabei,<br />
die von ihnen entwickelte Methode zu<br />
validieren und ihre Verlässlichkeit zu<br />
belegen. In einer kürzlich publizierten<br />
Arbeit konnten sie mit einer Simulationsreihe<br />
verschiedener organischer Gerüstverbindungen<br />
als CO 2 -Speicher bereits<br />
zeigen, dass ihre Methode eine adäquate<br />
Alternative für die Untersuchung dieser<br />
komplexen Substanzklassen darstellt und<br />
den Bereich für rechnerische Studien mit<br />
diesem Schwerpunkt erheblich erweitert.<br />
Beschichtete Nanopartikel<br />
Neben den Simulationen MOF-basierter<br />
Materialien arbeiten die Chemiker:innen<br />
um Hofer derzeit auch an Simulationen<br />
beschichteter Nanopartikeln, die unter<br />
anderem in der Tumortherapie zum Einsatz<br />
kommen könnten. Beispielsweise<br />
zeigen Nanopartikel aus Magnetit magnetische<br />
Eigenschaften – mithilfe von<br />
Magneten könnten sie gezielt in bestimmte<br />
Zellen des Körpers und somit<br />
auch in Tumorgewebe gelenkt werden.<br />
Da Eisen im Körper toxisch wirkt, müssen<br />
die Nanopartikel allerdings beschichtet<br />
werden. In Zusammenarbeit mit der<br />
UMIT TIROL simulieren Thomas Hofer<br />
und sein Team das Verhalten dieser beschichteten<br />
Nanopartikel. „Ziel ist es natürlich,<br />
die mit Amylose oder Zitronensäure<br />
beschichteten Nanopartikel möglichst<br />
zahlreich gezielt in Tumorzellen<br />
anzureichern“, so Hofer. „Um das zu erreichen,<br />
muss man allerdings genau wissen,<br />
welche Kräfte wirken, wenn sich<br />
zwei dieser Teilchen begegnen oder<br />
wenn mehrere Nanoteilchen gleichzeitig<br />
im Blutkreislauf verteilt sind.“ Mithilfe<br />
der von ihnen entwickelten Methode<br />
können Hofer und sein Team das Verhalten<br />
der Nanoteilchen unter Einbeziehung<br />
aller auf sie wirkenden Kräfte genau modellieren<br />
und liefern so wichtige Daten<br />
für die Weiterentwicklung dieses Therapieansatzes.<br />
sr<br />
THOMAS HOFER (*1978 in Inns bruck)<br />
studierte Chemie an der Universität Innsbruck<br />
und habilitierte sich hier 2<strong>01</strong>1 im<br />
Fach Theoretische Chemie und Computerchemie.<br />
Seit 2<strong>01</strong>1 ist er assoziierter<br />
Professor am Institut für Allgemeine,<br />
Anorganische und Theoretische Chemie.<br />
16 zukunft forschung <strong>01</strong>/23<br />
Fotos: Andreas Friedle; Grafik: Thomas Hofer<br />
zukunft forschung <strong>01</strong>/23 17