Nanosuspensionen und ihre Beziehung zur Atmosphärenphysik

Nanosuspensionen und ihre Beziehung zur Atmosphärenphysik – Ein hypothetisches Szenarium der Klimastabilisierung

Die Biokompatibilität von Biomaterialien hängt neben der chemischen Zusammensetzung des Materials auch von einer der Zellgröße angepaßten Mikrostruktur und einer den Zellrezeptoren angepaßten Nanostruktur ab. Mit solchen Strukturen wird ein Biomaterial, zum Beispiel ein Implantat aus Titan, von den andockenden Zellen eher akzeptiert, nicht als körperfremd „eingestuft“, und es kommt zu einem besseren und dauerhafteren Verbund zwischen Zellen und Biomaterial. Daher werden weltweit Bemühungen unternommen, die Prozesse der Mikro- und Nanostrukturierung des Biomaterials zu systematisieren und zu vereinfachen. Am liebsten möchte man beide Strukturen gleichzeitig auf die Biomaterial-Oberfläche aufbringen und dann in einem weiteren Schritt immobilisieren, also dauerhaft machen. Man spricht von dual strukturierten Biomaterialien oder sogenannten biomimetischen Mustern.

Vor wenigen Monaten gelang es Dr. Andrei Sommer und PD Dr. med. Dr.-Ing. Ralf-Peter Franke vom Zentralinstitut für Biomedizinische Technik der Universität Ulm, eine derartige duale Struktur auf einer Titanscheibe zu produzieren. Dazu haben sie einen Tropfen einer wäßrigen Nanoteilchen-Suspension auf einer extrem glatten Titanscheibe langsam verdunsten lassen. Unter Suspension ist die Aufschwemmung feinster Teilchen in einer Flüssigkeit zu verstehen. Bei den verwendeten Nanoteilchen handelte es sich um Polystyrol-Kugeln mit einem Durchmesser von 60 Nanometern (Nanospheres). Beim Verdunsten des Tropfens entsteht ein der ursprünglichen Tropfengröße entsprechender Ring. Im Inneren des Ringes befindet sich ein dünner Film mit einer Nanostruktur, die von den Nanokugeln bestimmt wird. Damit war ein Ansatz für eine flächendeckende Bemusterung von Biomaterial-Oberflächen gefunden, der allerdings noch der Optimierung bedarf, zum Beispiel in Hinsicht auf Wirkung und Zusammenspiel der chemischen Zusammensetzung und Rauhigkeit des Substratmaterials und der Verdunstungszeit.

Die Wissenschaftler testeten nun weitere Trägerflüssigkeiten zur Herstellung von Suspensionen. Darunter Perfluordekalin (PFD), eine klare, hochgradig inerte, biokompatible Flüssigkeit mit einer Dichte, die fast doppelt so hoch ist wie die des Wassers. Perfluordekalin, eine zentrale Komponente bei der Herstellung von künstlichem Blut, hat eine interessante Eigenschaft: es verdunstet sehr schnell von festen Oberflächen, ohne irgendeine Spur zu hinterlassen. Die Inertheit von PFD bewirkt, daß es zu keinerlei Mischung mit Wasser kommt. Die Möglichkeit, Nanoteilchen aus der wäßrigen Suspension in das PFD zu überführen, schien unwahrscheinlich. Bei dem Versuch, eine auf PFD-Basis bestehende Nanosuspension zu gewinnen, stellten Sommer und Franke nun aber fest, daß das PFD trotz Inertheit mikroskopische Anteile der wäßrigen Suspension aufgenommen hatte: PFD-Tropfen aus einer Injektionsspritze, worin identische Volumina PFD und Wasser einige Minuten manuell geschüttelt worden waren, hinterließen beim Verdunsten auf spiegelglatten Titanscheiben plötzlich deutlich sichtbare Spuren. Damit war die prinzipielle Möglichkeit zur Herstellung von Nanosuspensionen auf PFD-Basis nachgewiesen.

Umgekehrt stellte sich die Frage, ob es beim Schütteln der beiden Flüssigkeiten auch zu einer Anreicherung von PFD in der wäßrigen Suspension kommen könnte. Um diese Frage zu klären, wurden Tropfen der wäßrigen Nanosuspension, die zusammen mit dem PFD geschüttelt wurde, zum Verdunsten auf eine spiegelglatte Titanscheibe aufgebracht. Das Ergebnis war eindeutig: die Mikrostruktur des Films im Inneren der hier gebildeten Ringe unterschied sich klar von den charakteristischen Nanostrukturen, die von einer wäßrigen Nanosuspension ohne PFD-Kontakt stammten. Mit diesen Ergebnissen deuten sich zugleich Konsequenzen für bestimmte Aspekte der Aerosol- und Atmosphärenphysik an, wenn man bedenkt, daß Nanoteilchen etwas mit Aerosolen und Nanosuspensionen mit Wolkentröpfchen in der Erdatmosphäre zu tun haben und PFDs in vielen ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften den ozonschädlichen FCKWs ähnlich sind.

Aerosole haben zwei bekannte klimatologische Effekte: zum einen können aus kleineren, als Nukleationskeime wirkenden Aerosolen kleine Wolkentröpfchen entstehen, die, noch bevor sie als Regen zu Boden fallen können, verdunsten, ein Mechanismus, der gegebenenfalls zu meteorologischen Dürreperioden beiträgt. Zum anderen blockieren atmosphärische Aerosole die Sonneneinstrahlung, wodurch es dann zu einer der globalen Erwärmung entgegenwirkenden Abkühlung der Atmosphäre kommt. Das Neue an der – in der renommierten Zeitschrift NanoLetters im Januar 2003 publizierten und im New Scientist kommentierten – experimentellen Ulmer Studie ist die Erkenntnis der dritten Atmosphären-relevanten Eigenschaft der Aerosole neben den bekannten klimatologischen Effekten, der Fähigkeit, Drittsubstanzen in Wolkentröpfchen einzubetten. Demgemäß leiten die beiden Forscher ein hypothetisches Szenarium der Klimastabilisierung ab: Geeignete nichttoxische Nanoteilchen werden mit Hilfe moderner Raumfahrttechnologie bis in die Stratosphäre befördert, wo sie, inkorporiert in Wolkentröpfchen, die in der Atmosphäre verteilten FCKWs einfangen und unschädlich mit Regen oder Schnee auf die Erde zurückbefördern.