Projektbeispielebeendete und aktuelle Entwicklungsprojekte

Entwicklung und Optimierung nanostrukturierter Verbundmaterialien für neue Systeme der Energiegewinnung und Energiespeicherung

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Automatisierbare Syntheseverfahren von Cadmiumfreien Halbleiter-Nanostäbchen (ASCANA)

Förderung: Europäischer Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) und Freie und Hansestadt Hamburg, Verbundprojekt, Projektkoordination: CAN GmbH, Laufzeit: 01.01.2016 – 30.04.2017
Im Projekt ASCANA werden von der CAN GmbH in Kooperation mit der Universität Hamburg (UHH) Schwermetall-freie fluoreszierende Nanopartikel erforscht. Diese gelten als umweltfreundliche Alternative zu den derzeit aus Cadmium aufgebauten „Quantum Dots“, die in verschiedenen Anwendungsbereichen wie z. B. Displays oder LEDs-Applikationen eingesetzt werden. Ziel des Vorhabens ist die Etablierung einer automatisierten Syntheseroute für elongierte Cadmium-freie Nanopartikel.
Die CAN GmbH hat in den vergangenen Jahren ein umfassendes Expertenwissen hinsichtlich der Synthese von Cadmium-haltigen elongierten Nanopartikeln generiert. Diese Nanostäbchen besitzen spezielle optoelektronische Eigenschaften wie z. B. eine polarisierte Emission und eine schaltbare Fluoreszenz. Gegenüber den sphärischen, kommerziellen „Quantum Dots“ stellen diese Eigenschaften einen enormen Mehrwert dar. Jedoch sind bisher weltweit keine rentablen Synthesen für Cadmium-freie elongierte Halbleiternanopartikel etabliert. Die Projektpartner CAN und UHH werden im ASCANA-Projekt vor allem an der Synthese dieser Nanostäbchen im kontinuierlichen Flussreaktor forschen.

EFRE Projekt, Projektkoordination: CAN GmbH, Laufzeit: 01.10.2010 – 30.09.2014
Energiespeicherung Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Technologieplattform zur Herstellung neuartiger, nanostrukturierter Verbundmaterialien als technologische Basis für innovative Systeme im Bereich der Solarzellen- und Brennstoffzellenentwicklung. In enger Zusammenarbeit mit bestehenden Hochschulgruppen am Standort Hamburg werden die Grundlagen geschaffen, die Basistechnologie auf verschiedene Systeme zur Energiegewinnung und – Speicherung zu übertragen. Grundlage des Entwicklungsansatzes ist das bereits am CAN und der Universität Hamburg vorhandene Wissen zur Herstellung und Funktionalisierung synthetisch erzeugter, funktioneller Nanopartikel. Ziel ist die Erarbeitung innovativer Kombination unterschiedlicher Nanopartikel (NP) oder anderer geeigneter Nanostrukturen zur Komponentenherstellung für neuartiger Niedertemperaturbrennstoffzellen und Solarzellsysteme der 3.Generation. Während im Bereich Brennstoffzelle die Inkorporation katalytischer Nanopartikel in gerichtete Leiterstrukturen zur Erhöhung der erzielbaren Stromdichten im Vordergrund stehen geht es im Bereich Photovoltaik vielmehr darum die Lichtabsorption und den effektiven Abtransport der Ladungsträger durch gerichtete Nanostrukturen und – Netzwerke zu verbessern.

Klinische Diabetes-Diagnostik – VIBRANT in Vivo Imaging of Beta cell Receptors by Applied Nano Technology (VIBRANT)

Förderung: EU, Verbundprojekt, Koordination CAN GmbH, Laufzeit 07/2009 bis 07/2013
Ziel des Projektes ist die medizinische Bildgebung von sogenannten „Beta-Zellen“ der menschlichen Bauchspeicheldrüse. Diese Zellen, die den Blutzuckerspiegel durch Insulinausschüttung regulieren, sind nur in sehr geringer Menge vorhanden und werden im Falle einer Diabetes-Erkrankung abgebaut. Bisher ist ihre quantitative Bestimmung im lebenden Organismus nicht möglich. Mit dem nun bewilligten Vorhaben soll eine Methode zur quantitativen Bestimmung der Beta-Zellmasse entwickelt werden. Dies würde eine frühzeitige Diagnose und verbesserte Therapie dieser Zivilisationskrankheit ermöglichen. Motivation für dieses Forschungsprojekt ist es, die zu schwerwiegenden gesundheitlichen und sozialen Folgen für die Betroffenen und nicht zuletzt auch die immensen volkswirtschaftlichen Belastungen – durch diabetische Spätschäden, wie Erblindung, Nierenversagen und Amputationen – zu vermindern. Die CAN GmbH koordiniert das internationale Forschungskonsortium und übernimmt – in Zusammenarbeit mit der Physikalischen Chemie der Universität Hamburg – die Entwicklung der erforderlichen hochkomplexen Nanoteilchen als quantitativer Tracer für Beta-Zellen.

Hybrid Solarzellen auf der Basis funktionalisierter Nanostrukturen und leitfähiger Polymere – SONAPOLY

Förderung: BMBF-Verbundprojekt, Koordination durch die CAN GmbH, Laufzeit 09/2008 bis 08/2011
Das Ziel des Vorhabens besteht darin, eine leistungsfähige anorganisch/organische Hybrid-Solarzelle auf der Basis unterschiedlicher nanoskopischer Funktionseinheiten zu entwickeln. Diese Einheiten bieten entscheidende Vorteile gegenüber den Komponenten herkömmlicher organischer Solarzellen, konnten jedoch bislang nicht effektiv miteinander kombiniert werden. Die angestrebte Hybridzelle (Abb.1) soll anstelle eines schmalbandig absorbierenden organischen Farbstoffs Halbleiternanostrukturen (z.B. II-VI- oder IV-VI-Halbleiter) als photostabile, breitbandige Absorber mit hohem Absorptionskoeffizienten für eine effektive Ausnutzung des solaren Spektralbereichs beinhalten. Die durch Lichtabsorption in den Halbleiternanokristallen (rot) erzeugten Elektron-Loch-Paare sollen durch einen Ladungstransfer zu den angrenzenden Transportkanälen getrennt werden: Die erzeugten Löcher werden in eine organische Polymermatrix (blau) übertragen, während die Abführung der Elektronen über orientierte Kohlenstoff-Nanoröhren (grau) vorgesehen ist. Die Nanoröhren, welche einen nahezu verlustfreien Ladungstransport über längere Distanzen gestatten, sollen in Form eines vertikalen Arrays implementiert werden. Diese Architektur bietet den Vorteil einer hohen Oberfläche und einem damit verbundenen hohen Querschnitt des Lichteinfangs. Somit vereint das vorliegende Konzept die Vorzüge der halbleitenden Nanostrukturen und des organischen Polymeres sowie die herausragenden Transporteigenschaften der CNTs unter Umgehung der Nachteile, die bei derzeitigen Konzepten auftreten (z.B. durch lange Transportpfade durch das halbleitende TiO2 in der Grätzel-Zelle).

Prostatakrebserkennung Translating Molecular Profiles into Enhanced Diagnosis of Clinically Significant Prostate Cancer – PROCEED

Förderung: BMBF, Verbundprojekt, Laufzeit 07/2008 bis 06/2011
Das Verbundprojekt unter Leitung des DKFZ Heidelberg widmet sich der Früherkennung von Prostatakarzinomen. Ziel ist eine schneller und gezielter einsetzende Behandlung zur Verbesserung der Heilungschancen.
Bisherige Methoden der Erkennung von Prostatakrebs sind durch geringe Sensitivität und Spezifität limitiert. Ein entscheidender Meilenstein im Projekt ist neben dem Screening nach neuen molekularen Markern, die Verbesserung der Sensitivität durch fluoreszente Nanopartikel. Die CAN GmbH gewährleistet dabei die reproduzierbare Produktion der Nanopartikel und deren Kopplung an die Biomoleküle zur Prostatatumorerkennung.

Nanotechnology in Medicine – NAMe

Landesexzellenz Initiative der Freien und Hansestadt Hamburg, Verbundprojekt, Laufzeit 07/2009 bis 12/2010
Ausgehend von der bereits etablierten interdisziplinären Zusammenarbeit und der hervorragenden Begutachtung bei der letzten Bundesexzellenzinitiative wird dieser Cluster die Einsatzmöglichkeiten artifizieller Nanostrukturen in der experimentellen Medizin erforschen. Er vereinigt in einzigartiger Weise die weltweit führende Expertise in der Synthese von Nanostrukturen für biomedizinische Anwendungen, in der molekularen Bildgebung in der medizinischen Forschung und in Therapieansätzen zur Diagnose und Behandlung von unterschiedlichen Erkrankungen. Wir werden maßgeschneiderte Nanopartikel, Beads und Kapseln mit molekularen Erkennungsstrukturen versehen und zelluläres Targeting realisieren. In Kombination mit technisch ausgefeilten Methoden molekularer Bildgebung werden wir unter in-vitro und in-vivo Bedingungen die Einzel-Partikel- und Einzel-Zell-Detektion ermöglichen. Wir werden diese Techniken zur Diagnose und Therapie von Krebs-, Infektions- und neurodegenerativen Erkrankungen sowie Atherosklerose einsetzen.

Analytische Untersuchungen der Nanostrukturen für MPI Messungen – MAGIC

Förderung: BMBF, Verbundprojekt, Laufzeit 05/2008 bis 12/2009
In diesem Arbeitspaket werden Proben charakterisiert und analysiert, die für das Verfahren Magnetic Particle Imaging (MPI) als Kontrastmittel verwendet werden. Die Proben werden bei einem der Konsortialpartner hergestellt und basieren auf FexOy (x, y = 2, 3 or 3, 4) Nanoteilchen als Kern und einer organischen Hülle aus kleinen organischen Molekülen oder aus Polymeren. Die Analyse liefert Informationen über Teilchengröße und deren Verteilung, Kristallinität der Nanoteilchen und organischem Anteil der Proben.

Infektionsschnelltest für Seren

Förderung: BMBF (Machbarkeitsstudie), Laufzeit 03/2009 bis 09/2009
Ziel dieser Studie war die Entwicklung eines feldtauglichen Verfahrens zur Diagnose einer viralen Infektionskrankheit am Menschen, auf der Basis eines Lateral-Flow-Assays. Die CAN GmbH hat in diesem Projekt die Optimierung geeigneter metallischer oder halbmetallischer nanopartikulärer Systeme betrieben. Das Bernhard-Nocht Instituts für Tropenmedizin, Hamburg, stellt für eine sich global verbreitende Viruskrankheit einen monoklonalen Antikörper und in vitro amplifizierte, deaktivierte Viren zur Verfügung.
Eine entscheidende Voraussetzung für eine wirksame Eindämmung einer Epidemie ist die frühzeitige Erkennung der Ausbruchsherde. Weder die hochempfindlichen Tests noch die nötige Infrastruktur liegen in den Hauptverbreitungsgebieten der Infektionskrankheit vor. Ein hochempfindlicher, feldtauglicher point-of-care Test, der mit einfachen technischen Mitteln an nahezu jedem Einsatzort, die Identifizierung dieser Virusinfektion und eine Differentialdiagnose ermöglicht, wäre daher nicht nur für die betroffenen Patienten und das medizinische Personal sehr hilfreich, sondern verbessert die Beobachtung der weltweiten Krankheitsverbreitung unabhängig vom Entwicklungsstatus des Landes und ermöglicht eine rasche Reaktion auf Ausbrüche von Epidemien. Die Aufgaben der CAN GmbH in diesem Projekt untermauern das Nanobiotechnologie-Portfolio. Die Erkenntnisse über das größen- und formenabhängige Verhalten konjugierter metallischer und halbmetallischer Nanopartikel sind für zukünftige Entwicklungen von großem Wert.

Systematik der Toxischen Eigenschaften von Nanopartikelsystemen

Förderung: Innovationsstiftung Hamburg, Einzelprojekt, Laufzeit 09/2006 bis 09/2009
Es ist bekannt, daß Nanopartikel im Körper verschiedene toxische Wirkungen haben können. Es ist aber nicht zweifelsfrei erwiesen, welches die durch Nanopartikel vermittelten Gründe und Mechanismen für die Beeinträchtigung der Vitalität von Zellen sind.
Die CAN GmbH sammelt systematisch seit einigen Jahren in einem von der Innovationsstiftung Hamburg geförderten Projekt die physiko-chemischen und biologischen Daten, um zu ermitteln, was für Eigenschaften der Nanopartikel eventuell zu Beeinträchtigungen der Zellphysiologie führen (1) und wie durch intelligentes Partikeldesign solche unerwünschten Effekte zu verhindern sind (2). Die kompletten Informationen über die Eigenschaften der Nanopartikelsysteme und deren Auswirkungen auf Zellmodelle werden integriert und ausgewertet. Diese Datenbasis ist der Schlüssel zu einer intelligenten und gerichteten Entwicklung von Nanopartikeln für biomedizinische Anwendungen. Die CAN GmbH bietet dieses einzigartige Know-how als Service Kunden an, die schnell und kosteneffizient eine spezifische Lösung benötigen.

Verkapselung von Nanoteilchen in Mizellen aus Blockcopolymeren

Förderung: BMBF (Machbarkeitsstudie), Laufzeit von 09/2008 bis 02/2009
Für den Einsatz von fluoreszierenden oder magnetischen Nanoteilchen für medizinische Anwendungen, zum Beispiel als Biomarker bzw. Kontrastmittel, ist eine kolloidale Löslichkeit in wässriger Lösung notwendig. Eine Möglichkeit hierfür ist die Verkapselung der wasserunlöslichen Nanopartikeln in Mizellen oder Vesikeln aus amphiphilen Blockcopolymeren. Dabei lagern sich die wasserunlöslichen Nanoteilchen in den hydrophoben Kernen der Mizellen bzw. in die Doppelschicht der Vesikel ein und verwenden diese als Transportmedium in wässriger Lösung.
In einer Studie hat die CAN GmbH verschiedene wasserunlösliche fluoreszierende und magnetische Nanopartikel in Mizellen aus nichtabbaubaren und bioabbaubaren Blockcopolymeren eingekapselt. Weiter wurden im Rahmen dieses Projektes verschiedene neue Präparationsverfahren solcher verkapselten Nanopartikel erarbeitet und optimiert sowie erste Untersuchungen zur Toxizität durchgeführt. Die CAN GmbH hat mit dieser Studie sich die Grundlage für weitere Entwicklungen im Bereich Diagnostik geschaffen und plant auch in Zukunft sein Wissen gerne auch in Kooperation in diesem Bereich zu erweitern.

Entwicklung intelligenter Beschichtungen für die Endoprothetik

Förderung: Endo-Stiftung, Laufzeit 01/2008 bis 12/2008
Die Wahrscheinlichkeit, dass es nach Implantation einer Endoprothese zu einer lokalen Entzündungsreaktion mit starken Schmerzen kommt, was oftmals die Notwendigkeit einer erneuten Operation beinhaltet, beträgt etwa 0.5 – 1 %. Bei allein ca. 200.000 Hüftgelenksoperationen pro Jahr in Deutschland betrifft das über 1000 Patienten.
Um das Risiko einer Entzündung zu verringern werden sogenannte zementierte Prothesen mit Antibiotika ausgestattet, die nach und nach aus dem Polymerzement freigesetzt werden.
Im Gegensatz dazu gibt es diesen Schutz für zementfreie Prothesen bislang nicht.
Hier setzt das abgeschlossene Projekt, welches von der Endo-Stiftung in Hamburg finanziert wurde an. Ziel dieses Projektes war es, eine nanostrukturierte Beschichtung aus biokompatiblen Nanopartikeln auf das Implantat zu bringen, welches mit Antibiotika in einem bioabbaubaren Polymer ausgestattet ist. Die Beschichtung hat dabei eine Dicke von weniger als 10 µm. Aus dieser Schicht soll der Wirkstoff nach erfolgter Operation in einem zweistufigen Prozess freigesetzt werden.

Photokatalytische Effekte für selbstreinigende Oberflächen

Förderung: BMBF (Machbarkeitsstudie), Laufzeit bis 04/2008 bis 10/2008
Bereits 1968 entdeckten japanischen Forscher den aktiven Reinigungseffekt von Titandioxid. Grundlage dieses Effektes ist die photokatalytische Aktivität des Materials. Titandioxid ist ein Halbleiter; Licht erzeugt darin über den sogenannten inneren photoelektrischen Effekt Elektron-Loch-Paare. Die Elektronen oder Löcher – je nach pH-Wert der Umgebung – können im Titandioxid an die Oberfläche diffundieren und erzeugen dort Radikale, die durch chemische Reaktion organische Substanzen zersetzen können.
Der photokatalytische Effekt von TiO2-Nanopartikeln wird in Verbindung mit der Super¬hydrophilie des Materials für „selbstreinigende“ Oberflächen genutzt (photokatalytische Selbstreinigung).
Das Ziel dieses Projektes war es, auf einem polymeren Substrat eine selbstreinigende Oberfläche aus TiO2-Nanopartikeln herzustellen. Dazu wurde ein Komposit aus Polypropylen und Titandioxidnanopartikeln verwendet, welches mit einer Modelsubstanz verschmutzt wurde. Der Abbau der Verschmutzung wurde unter verschiedensten Parametern wie Bescheinungsdauer, Art des Lichts welches zur Bescheinung genutzt wurde, Salzkonzentration im Lösungsmittel mittels quantitativer real-time PCR ermittelt.

Partikelanalyse von Altölen und stufengereinigten Altölen

Förderung: EFRE, Laufzeit 12/2007 bis 10/2008
Im Bereich der Altölaufarbeitung besteht das Problem, dass bei neuen additivschonenden Verfahren das gereinigte Öl immer noch durch bisher unbekannte Verunreinigungen verfärbt ist. Es wird davon ausgegangen, dass hier kolloidale Verunreinigungen vorliegen, die sich aufgrund ihrer geringen Größe mit den bisherigen Verfahren nicht abtrennen lassen. Für eine Verbesserung des bisherigen Reinigungsprozesses ist eine systematische Untersuchung der Aufarbeitungsverfahren nötig, um zu analysieren, welche Verunreinigungen in den einzelnen Prozeßschritten entfernt werden und welche im Öl zurückbleiben.
Im Rahmen dieses Projektes wurden verschiedene Altöle und deren dazugehörige stufenweise gereinigte Öle auf ihre kolloidalen Verunreinigungen untersucht. Dabei wurden zunächst die Verunreinigungen aus den Altölen mit verschiedenen laborüblichen Trennverfahren (z.B. TGA, Filtration/Adsorption, Zentrifugation) abgetrennt und anschließend mittels Spektroskopie (UV/vis, EDX, WDX), Streumethoden (DLS) und abbildenden (SEM, TEM) Methoden charakterisiert. Mit Hilfe dieser Ergebnisse konnten die bestehenden Prozesse überarbeitet und neue Reinigungsschritte entwickelt werden.