Laserbasierte Nanotechnologie

Für die Entwicklung und Funktionalisierung innovativer Implantate entwickelt und nutzt die Arbeitsgruppe „Laserbasierte Nanotechnologie“ der Leibniz Universität Hannover Verfahren, die mittels Laser definierte Mikro- und Nanosysteme erzeugen, insbesondere Nanomaterialien, Scaffolds und 3D-gedrucktes Gewebe.

Forschung

Laserbasierte Nanotechnologie

Die Arbeitsgruppe „Laserbasierte Nanotechnologie“ der Leibniz Universität Hannover entwickelt und nutzt lasertechnologische Verfahren zum einen für die Entwicklung und Funktionalisierung innovativer Implantate mit optimierten Einwachsraten und kontrollierbaren Wechselwirkungen zwischen Implantat und umgebendem Gewebe und zum anderen zur Herstellung dreidimensionaler biologischer Strukturen die natürliches Gewebe nachbilden und als Testsysteme und zukünftig als Implantate zum Einsatz kommen können.

Dabei werden unterschiedliche Arbeitsschwerpunkte innerhalb der Arbeitsgruppe verfolgt:

Entwicklung von Nanomaterialien (Dr. Annette Hoffmeister)

Die Ziele dieses Arbeitsschwerpunktes sind die fortschrittliche Entwicklung neuartiger Nanomaterialien, ihre Anwendung in der biomedizinischen Forschung und der regenerativen Nanomedizin sowie ihre Translation in die Klinik.
Durch den Einsatz von laser-basierten und chemischen Techniken wie u.A. der gepulsten Laserablation in Flüssigkeiten (PLAL) sowie chemischen Flüssigphasensynthesen erzeugen wir anorganische Nanopartikel unterschiedlicher Form und Größe aus verschiedensten Materialien. Zusätzlich ergänzen wir die Partikeleigenschaften durch eine bioaktive, organische Oberflächenfunktionalisierung, um ihren Einsatz als biologische Funktionsmaterialien zu ermöglichen. Die funktionalisierten Nanopartikel können sowohl in kolloidaler Form, als auch nach Einbettung in einen biokompatiblen Kunststoff (sogenannte Nanokomposite) oder nach Anlagerung an eine Oberfläche verwendet werden.

Definierte Gerüststrukturen (Scaffolds) für 3D-Zellsysteme (Dr. Anastasia Koroleva)

Werden Zellen im Labor in normalen Zellkulturen, z.B. in Petrischalen oder Zellkulturflaschen, kultiviert, verhalten sie sich oft ganz anders als im menschlichen Körper. Das liegt daran, dass sie sich im Körper in einer komplexen 3D-Umgebung befinden, in der Regel Kontakte in 3D zu vielen anderen Zellen haben, mit denen sie interagieren, und mechanischen und vielfältigen chemischen Stimuli ausgesetzt sind. Im Gegensatz dazu befinden sie sich in der Zellkultur auf steifen zweidimensionalen Oberflächen, Kontakte zu anderen Zellen sind eher begrenzt. Um natürliches Gewebe besser nachzubilden, ist eine 3D-Zellkultur nötig, die mit Gerüststrukturen, sogenannten Scaffolds, realisiert werden kann. Wichtig sind dabei definierte Eigenschaften dieser Strukturen hinsichtlich Geometrie, Mechanik, Chemie.
Mit Ultrakurzpulslasern werden in unserer AG per 2-Photonen-Polymerisation sehr genau definierte Scaffoldgeometrien nach CAD-Vorlagen mit unter 100 Nanometer Auflösung realisiert. Dabei können die Scaffolds aus vielen verschiedenen Materialien hergestellt werden, u.a. aus (biodegradierbaren) Polymeren, Hydrogelen, aus keramischen und auch aus elektrisch leitfähigen Materialien.

Diese Scaffolds, mit Zellen besiedelt, sind geeignet, um das Verhalten der Zellen zu studieren, und können als in vitro Testsysteme und Implantate dienen. Aktuell werden von uns insbesondere Scaffolds für neuronale Systeme entwickelt.

3D-Druck von Zellen und Geweben (Dr. Lothar Koch)

Eine Alternative zur Verwendung von Scaffolds ist die Herstellung dreidimensionaler Zellsysteme und biologischer Gewebe mittels 3D-Druck. Unsere AG verwendet für dieses Bioprinting ein Laser-basiertes Verfahren, das auch als Laser-induzierter Vorwärtstransfer bezeichnet wird. Damit lassen sich lebende Zellen und Biomaterialien drucken, die dafür in ein Sol (die noch nicht gelierte Vorstufe eines Hydrogels) eingebettet und tröpfchenweise Schicht-für-Schicht dreidimensional angeordnet werden. In den darauffolgenden Tagen bildet sich dann ein Gewebe aus.

Gegenüber anderen, nicht Laser-basierten Verfahren, wie dem Tintenstrahldruck oder dem verbreiteten Extrusionsdruck, hat unser Verfahren den Vorteil, das Drucken von relativ hochviskosen Materialien und hohen Zelldichten mit einer hohen Auflösung kombinieren zu können.
In unserer AG wurden bereits verschiedene 3D Zellstrukturen zur Untersuchung von Zell-Zell-Interaktionen und Gewebe gedruckt. In der Zukunft sollen so neben Ersatzorganen für Implantationen auch Organ-on-Chip-Systeme für pharmazeutische oder kosmetische Testzwecke hergestellt werden. Diese würden dann Tierversuche ersetzen. Das wäre nicht nur ethisch unbedenklicher, sondern könnte, sofern man humane Zellen verwendet, auch wesentlich aussagekräftiger sein.

Am NIFE entwickeln wir unter anderem:

Biokompatible Nanokomposite zur Herstellung innovativer Implantate mit verringerten Infektionsraten für die rekonstruktive Therapie
Innovative Nanotransporter zur spezifischen Zelleinschleusung und kontrollierten, Stimulus-induzierten Freisetzung von Wirkstoffen und genetischem Material
Permanente Nanomarker für die spezifische Immunmarkierung von Molekülen und zur Langzeit-Bildgebung
Neuartige Nanomaterialien mit theranostischen Funktionen
Hochempfindliche Nanosensoren zur Detektion und zum Online-Monitoring von Analyten in komplexen Medien
Hocheffiziente Nanokatalysatoren zur Regulation biokatalytischer Reaktionen.

GRUPPENLEITUNG

Prof. Dr.

Boris Chichkov

Institut für Quantenoptik

Andrea Deiwick

Technische Assistenz

Dr.

Roman Kiyan

Dr.

Lothar Koch

Dr.

Anastasia Koroleva

Dr.

Mariia Yuktha

Publikationen

L. Koch, A. Deiwick, B. Chichkov. Capillary-like Formations of Endothelial Cells in Deﬁned Patterns Generated by Laser
Bioprinting. Micromachines 12, 1538 (2021) DOI: 10.3390/mi12121538

A. Koroleva, A. Deiwick, A. El-Tamer, L. Koch, Y. Shi, E. Estévez-Priego, A.-A. Ludl, J. Soriano, D. Guseva, E. Ponimaskin, and B. Chichkov, In Vitro Development of Human iPSC-Derived Functional Neuronal Networks on Laser-Fabricated 3D Scaffolds, ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 7, 7839–7853 (2021) DOI: 10.1021/acsami.0c16616

N. Jyotsana, A. Sharma, A. Chaturvedi, M. Scherr, F. Kuchenbauer, L. Sajti, A. Barchanski, R. Lindner, F. Noyan, K.W. Sühs, D. Grote-Koska, K. Brand, H.P. Vornlocher, M. Stanulla, B. Bornhauser, J.P. Bourquin, M. Eder, F. Thol, A. Ganser, R. K. Humphries, E. Ramsay, P. Cullis, M. Heuser, RNA Interference Efficiently Targets Human Leukemia Driven by a Fusion Oncogene in vivo, Leukemia 32:224-226 (2018) DOI: 10.1038/leu.2017.269.

L. Koch, A. Deiwick, A. Franke, K. Schwanke, A. Haverich, R. Zweigerdt, and B. Chichkov, Laser bioprinting of human induced pluripotent stem cells—the effect of printing and biomaterials on cell survival, pluripotency, and differentiation, Biofabrication 10 035005 (2018) DOI: 10.1088/1758-5090/aab981

M.N. Barshutina, A. Barchanski, Pulsed Laser Ablation for Obtaining Contrast Agents Based on Dysprosium Oxide (Dy2O3) Nanoparticles, Nanometrology 60(3): 216-219 (2017) DOI: 10.1007/s11018-017-1176-5.

L. Koch, A. Deiwick, J. Soriano, B. Chichkov. Laser bioprinting of human iPSC-derived neural stem cells and neurons: Effect on cell survival, multipotency, differentiation, and neuronal activity. Int J Bioprint. 2023 Jan 18;9(2):672. doi: 10.18063/ijb.v9i2.672. PMID: 37065669; PMCID: PMC10090817.

Y. Kiyan, S. Tkachuk, K. Kurselis, N. Shushakova, K. Stahl, D. Dawodu, R. Kiyan, B. Chichkov, H. Haller. Heparanase-2 protects from LPS-mediated endothelial injury by inhibiting TLR4 signalling. Sci Rep. 2019 Sep 19;9(1):13591. doi: 10.1038/s41598-019-50068-5. Erratum in: Sci Rep. 2021 Jul 2;11(1):14049. doi: 10.1038/s41598-021-92240-w. PMID: 31537875; PMCID: PMC6753096.

L. Koch, O. Brandt, A. Deiwick, and B. Chichkov, Laser-assisted bioprinting at different wavelengths and pulse durations with a metal dynamic release layer: A parametric study, Int J of Bioprinting 3(1): 42–53 (2017) DOI: 10.18063/IJB.2017.01.001

A. Barchanski, Laser-Generated Functional Nanoparticle Bioconjugates - Design for Application in Biomedical Science and Reproductive Biology, Springer Spektrum Research (2016) DOI: 10.1007/978-3-658-13515-7.

A. Koroleva, A. Deiwick, A. Nguyen, R. Narayan, A. Shpichka, O. Kufelt, R. Kiyan, V. Bagratashvili, P. Timashev, T. Scheper, and B. Chichkov, Hydrogel-based microfluidics for vascular tissue engineering, BioNanoMat. 17, 19 (2016) DOI: 10.1515/bnm-2015-0026

Katharina Doll, Elena Fadeeva, Nico S. Stumpp, Sebastian Grade, Boris N. Chichkov, Meike Stiesch, Reduced bacterial adhesion on titanium surfaces micro-structured by ultra-short pulsed laser ablation, BioNanoMaterials 17, (1-2), 53–57 (2016) DOI: 10.1515/bnm-2015-0024

A. N. Generalova, V. V. Rocheva, A. V. Nechaev, D. A. Khochenkov, N. V. Sholina, V. A. Semchishen, V. P. Zubov, A. V. Koroleva, B. N. Chichkov, E. V. Khaydukova, PEG-modified upconversion nanoparticles for in vivo optical imaging of tumors, RSC Adv. 6, 30089-30097 (2016) DOI: 10.1039/C5RA25304G

Behnam Taidi, Guillaume Lebernede, Lothar Koch, Patrick Perre, Boris Chichkov, Colony development of laser printed eukaryotic (yeast and microalga) microorganisms in co-culture, International Journal of Bioprinting 2(2), 37–43 (2016) DOI: 10.18063/IJB.2016.02.001

A. Barchanski, D. Funk, O. Wittich, C. Tegenkamp, B. N. Chichkov, C. L. Sajti, Picosecond Laser Fabrication of Functional Gold-Antibody Nanoconjugates for Biomedical Applications, Journal of Physical Chemistry C 119(17): 9524-9533; (2015) DOI:10.1021/jp511162n.

A. Barchanski, U. Taylor, C. L. Sajti, L. Gamrad, W. A. Kues, D. Rath, S. Barcikowski, Bioconjugated gold nanoparticles penetrate into spermatozoa depending on plasma membrane status, Journal of Biomedical Nanotechnology 11(9):1597-1607(2015) DOI:10.1166/jbn.2015.2094.

Olga Kufelt, Ayman El-Tamer, Camilla Sehring, Marita Meißner, Sabrina Schlie-Wolter, Boris N. Chichkov, Water-soluble photopolymerizable chitosan hydrogels for biofabrication via two-photon polymerization, Acta Biomaterialia 18, 186–195 (2015) DOI: 10.1016/j.actbio.2015.02.025

Schlagwörter

Laserbasierte Mikro- und Nanotechnik, Nanopartikel-Generierung und -Funktionalisierung, präzise Oberflächenstrukturen und Scaffolds für selektive Zellkontrolle, 3D-Druck von Zellen und Geweben, Zwei-Photonen-Polymerisation, Bioprinting

Kontakt

Laser Nanotechnologie:

Prof. Dr. Boris Chichkov

+49 511 762 17771

chichkov(at)iqo.uni-hannover.de

Entwicklung von Nanomaterialien:

Dr. Roman Yuktha

+49 511 762 16085

kiyan(at)iqo.uni-hannover.de

Scaffolds:

Dr. Anastasia Koroleva

+49 511 762 18894

info.koroleva(at)gmail.com

Laser Bioprinting:

Dr. Lothar Koch

+49 511 532 1329

koch(at)iqo.uni-hannover.de

Institut für Quantenoptik
Leibniz Universität Hannover

Specials

Annette Barchanski: „Laser fabrication of smart nanoparticles“, Eingeladener Vortrag auf der International Conference on Nanomaterials & Nanotechnology, 09.-12.10.2018, Stockholm, Schweden

Lothar Koch: „Tissue Engineering durch Laser-generierte 3D Strukturen - Von kontrolliertem Zellverhalten und gedruckten Organen“, Eingeladener Vortrag, Universität Witten-Herdecke, 8. 02.2017

Annette Barchanski: “Laser-generated nanomaterials for biomedical implants” Posterpreis auf dem International Symposium of Biofabrication, 25.-26.06.2015, Hannover.

Lothar Koch: “Laser Cell Printing for Tissue Engineering”, Eingeladener Vortrag auf dem Macromolecular Colloquium Freiburg, 24.02.2016, Freiburg (Breisgau), Deutschland

Lothar Koch: “Laser Cell Printing for Tissue Engineering”, Eingeladener Vortrag auf dem 7th Innovation Forum “Light & Light Technology” des 65th Lindau Nobel Laureate Meeting, 27.06.2015, Lindau, Deutschland

Boris Chichkov: “Laser printing of nanoparticles and living cells”, Eingeladener Vortrag als Plenary Lecture, International Forum on MicroManufacturing & Biofabrication 2015, 19.05.2015, Toyama, Japan

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