Magnetischer Partikeltransport mit angelegten Feldern

Funktionalisierte magnetische Nanopartikel gelten als Eckpfeiler vieler biomedizinischer Technologien der nächsten Generation. Diese biokompatiblen winzigen Objekte (hundertmal kleiner als rote Blutkörperchen) können potenziell in einen lebenden Organismus eingebracht und dann über angelegte Magnetfelder ferngesteuert werden. Die Felder können gleichzeitig für viele Zwecke genutzt werden: um die Bewegung der Partikel im Körper sicher zu lenken; um ihre räumliche Verteilung zu verfolgen und sichtbar zu machen; um in den Partikeln eingekapselte Medikamentenmoleküle bei Bedarf freizusetzen; um die Temperatur lokal zu erhöhen, um Krebszellen zu zerstören; oder um hydrodynamische Strömungen zu erzeugen, um Blutgerinnsel aufzulösen.

Es gibt jedoch noch viele praktische Herausforderungen, die einen weit verbreiteten alltäglichen Einsatz von magnetischen Nanopartikeln in der Medizin verhindern. Das Projekt zielt darauf ab, eine dieser zentralen Herausforderungen zu bewältigen - nämlich das Problem eines effizienten feldgesteuerten Transports. Tatsächlich gibt es viele Faktoren, die die Reaktionsfähigkeit der Nanopartikel auf das angelegte Feld beeinflussen können. Zum Beispiel sind die Partikel aufgrund ihrer geringen Größe immer intensiven thermischen Fluktuationen (der so genannten Brownschen Bewegung) unterworfen. Wenn das Feld nicht stark genug ist, stören die Fluktuationen die Flugbahnen der Partikel zufällig und erlauben ihnen nicht, dem Feld genau zu folgen. Bei Vorhandensein von externen Strömungen wird es noch schwieriger, die Teilchen dorthin zu bringen, wo man sie haben will. Außerdem wird die Bewegung oft auf nicht-triviale Weise durch die innere Struktur der Teilchen, ihre Form und Größe sowie durch die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen (in Situationen, in denen die Teilchenkonzentration hoch ist) beeinflusst. Es gibt keine Theorie, die es erlaubt, all diese Faktoren gleichzeitig und vollständig zu berücksichtigen. Infolgedessen müssen Praktiker bei der Entwicklung neuer Nanotransportsysteme oft auf einen langwierigen und teuren Versuch-und-Irrtum-Ansatz zurückgreifen.

Ziel des Projekts ist es, modernste theoretische und rechnerische Techniken aus verschiedenen Bereichen der Physik (Magnetismus, Strömungsdynamik und statistische Mechanik) zu kombinieren und das bisher genaueste Modell der Bewegung magnetischer Nanopartikel in Gegenwart eines Magnetfelds zu erstellen. Das Modell wird mit Hilfe von experimentellen Daten unserer internationalen Partner sorgfältig getestet werden. Anschließend wird es ermöglichen, den Entwicklungszyklus neuartiger medizinischer Geräte erheblich zu beschleunigen und zu modernisieren.