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16.12.03 / 00:15
Heft 24/2003 Titel
Nanotechnologie

Revolutionen aus dem Zwergenreich

Ein neues Schlagwort aus der Wissenschaft verspricht einen Quantensprung für alle Bereiche des täglichen Lebens: Nanotechnologie soll Krebs heilen, superschnelle Computer ermöglichen oder neuartige Brennstoffzellen zur Marktreife führen. Kaum jemand weiß allerdings genau, was hinter dieser Zukunftstechnologie steckt und wo die Grenze zwischen realistischen Chancen und Science Fiction liegt. Zumindest als Marketingstrategie funktioniert der neue Forschungszweig und wird durch hohe Investitionen auch für die Zahnmedizin interessante Innovationen hervorbringen. Revolutionen aus dem Zwergenreich Bislang noch




Mit knapp 200 Millionen Euro wurden im Jahr 2002 deutsche Projekte aus dem Bereich der Nanotechnologie mit öffentlichen Mitteln gefördert. Eine Menge Geld für eine Technologie, die zwar viele Visionäre auf den Plan ruft, aber bislang für die meisten Deutschen noch eine Blackbox ist. Auch viele Wissenschaftler und Politiker tun sich schwer, dieses Forschungsfeld, das in keine Schublade passt, klar zu definieren.

Denn Wissenschaftler aus Chemie, Physik, Biologie und Informatik arbeiten hier zusammen an Experimenten, die unterschiedliche Ziele verfolgen und nur eines gemein haben: Die Entwicklung von nanometergroßen Teilchen, die durch ihre Winzigkeit vollkommen neue Anwendungsmöglichkeiten erlauben. Bis hinunter auf die atomare Ebene möchten die Forscher Stoffe manipulieren und so ihre Eigenschaften verbessern, wie es bislang mit groben mechanischen Methoden nicht möglich war.

Doch so neu wie es scheint, sind viele Ideen und Methoden der Nanotechnologie gar nicht. Bereits im Mittelalter verwendeten Glasmacher feinste Goldstäube, um Kirchenfenstern eine intensive rubinrote Farbe zu verleihen. Damit nutzten sie ein Phänomen von Nanopartikeln, das bis heute für Materialwissenschaftler ein enormes Potenzial enthält: Abhängig von ihrer Teilchengröße bestimmen die Partikel Farbe und Erscheinungsbild des jeweiligen Trägermaterials.

Erste Visionen

Wissenschaftlich relevant wurde das Thema Nanotechnologie dann vor über 40 Jahren: 1959 hielt der spätere Nobelpreisträger Feynman seinen Vortrag „There´s plenty of room at the bottom“ (Dort unten ist eine Menge Platz), in dem er die Möglichkeit atomare Bausteine zu steuern, vorhersagte. Damit legte er den Grundstein zur Erforschung der „Zwergenwelt“ (nano, griech. = Zwerg) und beflügelte viele Physiker den Schritt in den Nanokosmos zu machen. 1982 gelang es den Schweizer Forschern Gerd Binnig und Heinrich Rohrer von IBM, Atome beobachten und verschieben zu können: Das Rastertunnelmikroskop brachte ihnen 1986 den Nobelpreis ein.

Zur gleichen Zeit entstand das Wort Nanotechnologie, eingeführt von Prof. K. Eric Drexler mit seinem berühmten Roman „Engines of creation“. Seine Veröffentlichung lenkte die Aufmerksamkeit der Amerikaner auf die Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, die die Beherrschung der Nanowelt mit sich bringen könnte. Mini-U-Boote im menschlichen Blutkreislauf und Miniroboter, die aus Atomen ganze Gegenstände zusammenbauen, gehören mit zu den Visionen, die Drexler ins Gespräch gebracht hat. Doch bis heute sind viele Experten skeptisch, ob jemals derartig komplizierte Mini- Maschinen herstellbar sind. In der atomaren Welt herrschen andere Gesetzmäßigkeiten, der Turbinenantrieb eines Flugzeuges ließe sich nicht beliebig verkleinern und selbst wenn, würde er in der Nanowelt aus physikalischen Gründen nicht funktionieren.

Daher schauen die Forscher gerne auch bei der Natur ab und nutzen biologische Antriebe: Carlo D. Montemagno verknüpfte einen 150 Nanometer dicken Metallzylinder mit einem Proteinmotor, der sich durch ATP gespeist fortbewegte.

Etablierte Herstellungstechniken

Solche Experimente zeigen, dass viel versprechende Entwicklungen aus den Nanotechnologielaboren kommen werden, aber eine breite Anwendung noch reine Zukunftsmusik ist. Viel weiter ist die Forschung auf dem Gebiet der Methodik: Eine Vielzahl von Verfahren steht bereits zur Verfügung, um Nanostrukturen zu bearbeiten oder Kleinstpartikel herzustellen. Ganz grob unterteilt man die Methoden in das Bottom- Up-Verfahren (von unten nach oben) und das Top-Down-Verfahren (von oben nach unten). Letzteres bedeutet, dass man ähnlich wie beim Ätzen einer Computerplatine mit Lasern, Elektronenstrahlen oder UV-Licht Material abträgt, bis die gewünschten Nanostrukturen übrig bleiben. Diese Techniken waren der Schlüssel, so genannte Labors auf dem Chip zu entwickeln. Mit derartigen Chips werden zukünftig schnell und zuverlässig Analysen im Pharma-, Lebensmittel- und Umweltsektor möglich sein.

Das Bottom-Up-Verfahren bedient sich eher chemischer Vorgänge, die die Herstellung feinster Partikel im Nanometermaßstab erlaubt. Gezielt entworfene Nanopartikel können mit Eigenschaften versehen werden, die sie zu wertvollen Hilfsmitteln in Medizin und Materialwissenschaften machen.

Lebensqualität durch Nanoteilchen

Erstaunliche Resultate erzielte Dr. Andreas Jordan an der Charité mit Tumor-kranken Ratten. Er spritzte den Versuchstieren Nanopartikel aus Eisenoxid und einer Oberflächenbeschichtung, die sich speziell an Krebszellen anheftet. Nachdem sich das Eisenoxid bei den Krebszellen angereichert hatte, wurden die Tiere in ein starkes Magnetfeld gebracht, die Zellen überhitzten und starben ab. Weniger spektakulär, aber ebenso aussichtsreich sind in Nanopartikel gepackte Medikamente, die durch ihre Oberfläche gezielt am gewünschten Wirkort zum Einsatz kommen. Ein weiterer Erfolg in der Medizintechnik ist die Einlagerung von Silberpartikeln in Implantate oder Katheter, ein antibakterieller Medizinkleber wird bereits eingesetzt. Doch nicht nur die Medizin hat Innovationen zu erwarten: Nicht verschmutzende Oberflächen dank des Lotusblüteneffekts, Brennstoffzellen mit enorm hohen Leistungen und ultraleichte kugelsichere Westen sind bereits in der Entwicklung und werden demnächst den Markt erobern. Audi konstruiert eine blendfreie Cockpitverglasung, die Gelbfärbung des Lebensmittelfarbstoffs Beta-Carotin kann durch die Partikelgröße genau vorherbestimmt werden und Sonnencreme wird länger haltbar und weniger auffällig werden.

Nanotechnik für die Zahnmedizin

Nanoteilchen sind also auf dem besten Weg, jeden Bereich unseres Lebens zu verändern. Somit natürlich auch die Arbeitswelt der Zahnärzte. Dr. Edward M. Reifman, praktizierender Zahnarzt und Nanotechnologe aus Kalifornien, hat große Erwartungen an die Fortschritte der Forschung und beschreibt ein schillerndes Bild der Zahnarztpraxis im Jahr 2020: Künstliche, programmierte Zahnund Knochenzellen erneuern innerhalb kürzester Zeit fehlende oder kariöse Zähne, Zahnfleisch- und Kieferknochenrückgang werden ebenso mit nanotechnisch manipulierten Zellen bekämpft. Ganz so weit reichen die Pläne heutiger Projektgruppen für dentaltechnische Entwicklungen noch nicht. Doch erste Errungenschaften der intensiven Forschung verbessern schon heute die zahnmedizinische Versorgung in deutschen Praxen: Füllstoffe und Adhäsiva enthalten Partikel im Nanometermaßstab und besitzen weitaus günstigere Eigenschaften als ihre Vorläuferprodukte. Ohne es zu wissen führte das Unternehmen Ivoclar bereits vor 15 Jahren ein Nanoprodukt auf dem Markt ein: Das Kompositharz Heliomar® mit überdurchschnittlichen physikalischen und klinischen Eigenschaften enthält nach neueren Untersuchungen feinste Partikel, die maßgeblich den Erfolg des Komposits mitbestimmen. Gezielt setzen jetzt auch Firmen wie 3M/Espe (Filtek Supreme®), Voco (Grandio®) und Pentron (Simile®) Nanopartikel ein und bezeichnen ihre Produkte als Nanokomposite. Doch ähnlich wie bei konventionellen Mikrofüllern enthalten auch diese noch Füllkörper mit Größen im Mikrometerbereich. Allerdings sind sie dort homogener in der Matrix verteilt und umgeben von feinen Partikeln, die den Harzanteil reduzieren. Daraus resultiert zum einen eine niedrigere Schrumpfungsrate, denn nur der Harzanteil verursacht die störende Volumenveränderung des Komposits. Zum anderen bleibt die gute Polierfähigkeit wie bei bekannten Mikrofüllern erhalten und kann so hohen ästhetischen Ansprüchen genügen. Nicht ganz trifft dies für Grandio® zu, das durch den Zusatz von Glasfüllkörpern schlechter polierbar, dafür jedoch abrasionsresistenter ist.

Verbesserte Adhäsive und Pflegeprodukte

Auch bei den Adhäsiven versucht die Dentalindustrie das eigentümliche Verhalten der Nanoteilchen zu nutzen: Vivadent vertreibt das Einkomponentenadhäsiv Excite®, welches die angeätzte Dentinoberfläche tief durchdringt und eine kaum messbare Filmdicke entwickelt. Eine einmalige Applikation reicht bereits aus, um dauerhaft starke Verbindungen zu erhalten und die Sensibilität der Zähne nach der Behandlung zu reduzieren.

Ein selbstkonditionierendes Adhäsiv mit dem Namen Prime & Bond® NT produziert das Unternehmen Dentsply DeTrey. Es enthält rund sieben Nanometer große Partikel, die leicht Dentinkanäle und das Geflecht von Kollagen durchdringen können und so eine überdurchschnittliche Haftung zwischen Dentin und Harz erzielen. In naher Zukunft werden auch Pflegeprodukte mit Kleinstteilchen für ein strahlendes Lächeln sorgen: BASF forscht an Hydroxylapatitzusätzen in der Zahnpasta, die angegriffenen Zahnschmelz restaurieren und ein natürliches Zahnweiß wiederherstellen sollen. Etwas näher an der Marktreife ist ein ähnliches Projekt von Henkel und SusTech: Nanit®active ist ein Wirkstoff aus Kalziumphosphat- Proteinteilchen, die leicht in Dentinkanälchen eindringen können. Dort dienen sie als Kristallisationskeime, an denen sich weiteres Kalzium und Phosphor anlagert und die Kanäle verschließt. Besonders bei Personen mit empfindlichen, freiliegenden Zahnhälsen dürfte diese Innovation auf großes Interesse stoßen. Es bleibt zu erwähnen, dass alle aufgeführten Produkte und Unternehmen nur beispielhaft genannt wurden und bei weitem mehr Dentalfirmen Nanoprodukte entwickeln und vertreiben.

Angst vor Kleinstpartikeln

Wie jeder neue Technologiezweig, sei es Gentechnologie oder Nuklearforschung, lösen auch die ungeahnten Möglichkeiten der Nanotechnologie Ängste aus. Science-Fiction Autoren, die Film- und Medienbranche lassen ihrer Fantasie freien Lauf und tragen dazu bei, dass viele Menschen die neue Technologie eher mit Unbehagen betrachten. Michael Crichtons Erfolgsroman „Beute“, der von außer Kontrolle geratenen Nanorobotern handelt, wird demnächst auch im Kino ein weiteres Schreckensbild verbreiten. Grund genug, um schnellstmöglich eine kritische öffentliche Debatte über die Gefahren zu beginnen. Wissenschaftliche Argumente müssen gesammelt werden und eine realistische Risikoabschätzung erlauben. Erste Experimente mit Mäusen zeigten, dass feine Karbonpartikelstäube zu Entzündungen des Bronchialtraktes und der Lunge führen können. Doch bislang scheint es sehr unwahrscheinlich, dass nanotechnisch hergestellte Produkte der Gesundheit schaden können.

Dr. rer. nat. Mario B. Lips
Schulstraße 3
12247 Berlin
mariolips@web.de



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