Forschung

Die Basis für unsere Technologie ist die sogenannte Inline-Holographie-Mikroskopie. Wir strahlen kohärentes Licht durch ein transparentes Volumen mit mikroskopisch kleinen Objekten wie Bakterien, Sporen, Algen, Mikroplastik usw. darin. Diese Objekte streuen einen kleinen Teil dieses Lichts. Das gestreute Licht interferiert mit dem Beleuchtungsstrahl, wodurch Interferenzmuster entstehen, die von einer Kamera aufgenommen werden. Die in diesem Projekt weiterzuentwickelnde bahnbrechende Technologie verwendet Inline-Hologramme um das volle Lichtfeld über das gesamte Probenvolumen durch Backpropagation oder numerische Refokussierung zu berechnen. Dies bietet mehrere Vorteile: 1. Die Möglichkeit, nach der Bildaufnahme numerisch nachzufokussieren, vereinfacht die Aufnahme der Daten erheblich. 2. Zellen und Umweltpartikel können in ihrer natürlichen 3D-Umgebung beobachtet werden. 3. Es ist möglich, viel mehr Objekte gleichzeitig zu beobachten, als dies mit herkömmlicher Mikroskopie möglich ist, und es ist möglich, einen kontinuierlichen Fluss einer analysierten Flüssigkeit aufzuzeichnen. Basierend auf den mit dieser Technologie gesammelten Daten möchte Holloid Algorithmen entwickeln, die es Forschern und Umweltanalytikern ermöglichen, Bakterien und Mikropartikel gleichzeitig zu erkennen und zu quantifizieren, wobei ein Mikroskop/Sensor verwendet wird, der für die Umweltüberwachung einschließlich Grundwasser geeignet ist. Dies wird ein neues Mittel darstellen, das es den Verantwortlichen für die Wasserqualität in der Umwelt und letztendlich im Trinkwasser ermöglicht, neue Einblicke mit erheblichen Auswirkungen auf die Gesundheit unserer Ökosysteme und Menschen zu gewinnen. Schließlich können die Ergebnisse dieses Projekts die Grundlage für zahlreiche andere Anwendungen in der Umweltüberwachung und darüber hinaus bilden.

Forschungskontext / Theoretischer Rahmen Die Kontrolle und das Verständnis der Adhäsion von Zellen auf künstlichen Oberflächen ist nach wie vor ein wichtiges Thema in den Material- und Biowissenschaften. In dieser Hinsicht scheint die Kombination von Top-down- (Kontaktdruck) und Bottom-up-Ansätzen (ATRP-Polymerisation + schichtweise Adsorption von Polyelektrolyten und Proteinen) eine vielversprechende Strategie für das Design und die Herstellung von zellattraktiven Oberflächen zu sein. Interessanterweise ermöglicht diese Methodik den Übergang von 2D- zu 3D-ähnlichen hierarchischen Strukturen mit hybriden Inhalten (Nischen), die eine spätere Zellanhaftung auf der Oberseite beeinflussen, indem sie die spezifischen Bindungsstellen (RGD-, IKVAV-Anteile) gegenüber den Zielmembranrezeptoren (z. B. Integrine, CD44) besser freilegen. Der ergänzende Einsatz der Rasterkraftmikroskopie (AFM) mit einer lebenden Zelle als Sonde zusammen mit der Quarzkristallmikrowaage mit Dissipation (QCM-D) wird eine frühzeitige Analyse und Quantifizierung dieser Zell-Substrat-Wechselwirkungen auf der Nanoskala ermöglichen. Hypothesen/Forschungsfragen/Zielsetzungen Die Haupthypothesen des Projekts sind die folgenden: i) Die Kombination von substratverankerten Polymerbürsten und schichtweise aufgebrachten Polyelektrolytketten führt zu weichen 3D-Nischen für eine verbesserte Adsorption von ECM-Proteinen. Die Umwandlung von 2D-Grenzflächen in 3D-ähnliche Architekturen wird wiederum die Zellanhaftung und die Zellproliferation verbessern, was sich insbesondere auf die Zellmorphologie und die Anzahl der gebildeten Zell-Substrat-Verbindungen auswirkt. ii) Die Anwendung von Contact-Printing-Techniken vor dem Aufpfropfen der Bürsten ermöglicht die Herstellung von lokalisierten individuellen 3D-Anhaftungspunkten. Die lokale Anwesenheit spezifischer Moleküle beeinflusst die Zell-Substrat-Affinität, was sich letztendlich auf die Zellmorphologie und die Bildung einer unterschiedlichen Anzahl von Zell-Oberflächen-Kontakten auswirkt. iii) Die Technik der Einzelzell-Sonden-Kraftspektroskopie (SCPFS) ist empfindlich genug, um frühe Anheftungsereignisse bei Zell-Substrat-Kontakten zu identifizieren. Durch die Verwendung einer lebenden Zelle als Eindrücksonde können Vorgänge auf der Nano- und Mikroskala bestimmt werden. Ansatz / Methoden Die folgenden Methoden werden zur Untersuchung der Substratvorbereitung und des Zelladhäsionsverhaltens eingesetzt: Rasterkraftmikroskopie (AFM) im SCPFS-Modus, (konfokale) Fluoreszenzmikroskopie, Quarzkristallmikrowaage mit Dissipation (QCMD), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Zellkulturprotokolle.

Nanomaterialien und andere innovative Materialien (Advanced Materials) bieten interessante Anwendungsmöglichkeiten und Funktionen. Sie werden daher verstärkt in neuen Produkten und in vielen Branchen verwendet. Allerdings müssen auch die möglichen unerwünschten Folgen sorgfältig erforscht und bewertet werden. Das Begleitprojekt zu NanoTrust-Advanced untersucht sicherheits- und risikorelevanten Aspekte von Nanomaterialien und Advanced Materials, welche regelmäßig in den etablierten NanoTrust-Dossiers veröffentlicht werden und in die nationale Nanoinformationskommission des Gesundheitsministeriums, die Arbeitsgruppe Nano-Arbeitnehmerschutz der AUVA oder die Standardisierungsgruppe „Nanotechnologie“ des Österreichischen Normungsinstituts eingebracht werden. Der inter- und transdisziplinäre Wissens- und Erfahrungsaustausch, der hier auf vielen Ebenen und in zahlreichen Gremien stattfindet, trägt somit zur sicheren und nachhaltigen Entwicklung dieser neuen Materialien bei.