Forschung

Hierarchisch strukturierte, partikuläre Biomaterialien: Automatisierte Synthese und Charakterisierung, autonome Optimierung sowie Applikationsdemonstration

Funktionalisierte Mikro- und Nanopartikel sind von grundlegender Bedeutung in der Bioanalytik, da sie als Träger für bioaffine Liganden und Oberflächen dienen können und dadurch spezifische Wechselwirkungen mit Zielmolekülen ermöglichen. Dies kommt z.B. bei der Magnetseparation zum Tragen, wo sie eine selektive Reinigung von Biomolekülen ermöglichen, und in Immunoassays sowie der molekularen Diagnostik, wo sie als Schlüsselelemente für sensitive Nachweismethoden dienen.  Aktuelle und sich in der Entwicklung befindende Anwendungen in den Bereichen der Bioanalytik und Biomedizin führen zu vielfältigen und teilweise widersprüchlichen Anforderungen an hierbei eingesetzte partikuläre Biomaterialien. Die Synthese von Nano- und Mikropartikeln mit kontrollierter Größe, Form und Morphologie, ausgehend von definierten molekularen und/oder nanoskaligen Bausteinen, ist bereits ein wichtiges technologisches Verfahren, das z.B. in der Malerei, Kosmetik- oder Lebensmittelindustrie eingesetzt wird. Der "Bottom-up"-Ansatz für die kontrollierte Synthese von Partikelmaterialien basiert hauptsächlich auf dem Mechanismus der Reaktion und Selbstassemblierung in Suspensionsreaktoren sowie auf mikrofluidischen Verfahren. Allerdings ist die anwendungsspezifische Materialentwicklung aufgrund der Vielzahl an Einflussfaktoren und der komplexen involvierten Mechanismen sehr zeit- und ressourcenintensiv.

Ziel dieses Projekts ist die Implementierung und Demonstration einer automatisierten Plattform zur Synthese und Charakterisierung von partikulären Biomaterialien, um eine signifikant beschleunigte Materialentwicklung zu erreichen. Die gezielte Herstellung und Modifikation multifunktionaler Nano- und Mikropartikeln hat das Potenzial, revolutionäre Werkzeuge und Technologien für die Diagnostik, Therapie und Forschung im Bereich der Lebenswissenschaften zu schaffen. Durch die Ergänzung mit Machine Learning Tools, wird die robotergestützte, automatisierte Plattform zu einem autonomen, d.h. selbstlernenden, System. Unter Verwendung von Optimierungsalgorithmen und Reverse-Engineering-Modellierungswerkzeugen, werden die hergestellten Partikel iterativ hinsichtlich der benötigten Zieleigenschaften optimiert. Als Beispiele für die autonome, stark beschleunigte Materialentwicklung werden mit der Plattform partikuläre Hybridmaterialien für elektrochemische Bioassays sowie Multiplex Fluoreszenz- und Elektroluminizenzpartikeln hergestellt und in der Anwendung getestet.

Abschlussarbeiten:
Bachelor- und Masterarbeiten können jederzeit vergeben werden. Je nach Interessensschwerpunkt, kann das Thema der Arbeit angepasst und natürlich auch eigene Wünsche berücksichtigt werden, z.B. ob lieber viel programmiert, automatisiert oder experimentell gearbeitet werden soll.

Bei Interesse bitte Kontakt per E-Mail (siehe oben) aufnehmen. Konkrete Themen können wir dann gerne bei einem persönlichen Gespräch genauer besprechen.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der autonomen Synthese- und Charakterisierungsplattform

Abbildung 2: Foto des derzeitigen Laboraufbaus