Posterpreis für die Entwicklung selbstangetriebener Kapseln (Mikroschwimmer)
- Neues aus der Fakultät 2017
Auf der 116. Hauptversammlung der Deutschen Bunsengesellschaft für Physikalische Chemie in Kaiserslautern hat Frau Ann-Kathrin Froin vor wenigen Tagen den Preis für das beste Poster im Themenbereich „Surfaces and Interfaces“ gewonnen. Frau Froin promoviert in der Physikalischen Chemie im Arbeitskreis von Herrn Prof. Dr. Heinz Rehage, und sie hat die Auszeichnung für ihre Arbeiten über die „Entwicklung und Charakterisierung selbst-schwimmender Mikrokapseln mit biologischem Vorbild“ erhalten. Im Rahmen ihrer Promotion beschäftigt sich Frau Froin mit Mikrokapseln, die über eigene Antriebsmechanismen verfügen und sich so ohne äußere Einflüsse schwimmend fortbewegen können.
Der Antrieb der Mikrokapseln basiert auf der Ausbildung von Oberflächenspannungsgradienten. Die Hohlkapseln bestehen aus einem mit Calciumionen vernetzen Alginatgel, in dem grenzflächenaktive, wasserlösliche Flüssigkeiten wie z. B. Polyethylenglycol oder Alkohole gespeichert sind. Diese Stoffe können durch die Poren der Alginatgele definiert in die umgebende Wasserphase austreten und durch das Spreiten der Flüssigkeiten nach dem Rückstoßprinzip die Schwimmbewegung der Kapseln initiieren. Die Fortbewegung der Kapseln wurde mithilfe von verschiedenen Messmethoden analysiert; z. B. Tracking-Analysen und Untersuchungen der statischen und dynamischen Oberflächenspannungen (Wilhelmy-Waage, Pendant-Drop). Diese Mikroschwimmer zeigen unter bestimmten Bedingungen auch ein typisches Schwarmverhalten (siehe beigefügtes Video), und sie können einzeln und kollektiv gesteuert werden. Abhängig von den gewählten Bedingungen können die Mikrokapseln bis zu 30 Minuten frei schwimmen. Die Geschwindigkeiten liegen in der Größenordnung von 8 cm s-1.
Das langfristige Ziel der Forschungsarbeiten, die durch ein Schwerpunktprogramm der DFG gefördert werden, liegt in der Entwicklung und dem Verständnis neuartiger Kapseln, die sich wie lebende biologische Zellen selbstständig fortbewegen. Die theoretische Beschreibung und Modellierung der Schwimmbewegung wird, parallel zu den experimentellen Untersuchungen, in der Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Dr. Jan Kierfeld (Fak. Physik, Theoretische Physik I) durchgeführt. Weitere Schwerpunkte der Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit der Untersuchung des Schwarmverhaltens. Derartige Analysen der typischen Schwimmbewegungen von Mikrokapseln sind für die Entwicklung intelligenter Trägermaterialien für Arzneimittel von großer Bedeutung (controlled drug transportation and release).