Nanopartikel: Arten, Herstellung und Eigenschaften

Nanopartikel sind die wichtigsten Bausteine der Nanobiotechnologie. Sie dienen als Farbstoff in Schnelltests, als magnetische Fähre in der Probenaufbereitung, als Kontrastmittel oder als Verpackung für empfindliche Wirkstoffe. Welche Aufgabe ein Partikel übernehmen kann, hängt von seinem Material, seiner Größe, seiner Form und vor allem von seiner Oberfläche ab. Diese Seite ordnet die wichtigsten Partikelklassen ein und erklärt, wie sie hergestellt werden.

Was ein Nanopartikel ist

Fachlich ist ein Nanopartikel ein Teilchen, dessen Abmessungen in allen drei Raumrichtungen im Nanobereich liegen, also etwa zwischen 1 und 100 Nanometern. Ist nur eine Dimension nanoskalig, spricht man von Nanoplättchen oder Schichten, bei zwei Dimensionen von Nanofasern, Nanodrähten oder Nanoröhren. In der Praxis wird der Begriff etwas großzügiger verwendet: Auch Lipid-Nanopartikel mit 80 bis 150 Nanometern Durchmesser zählen dazu.

Ein Nanopartikel besteht in der Regel aus einem Kern und einer Hülle. Der Kern bestimmt die physikalischen Eigenschaften, etwa Farbe oder Magnetismus. Die Hülle, oft Citrat, Polymere wie Polyethylenglykol (PEG) oder Proteine, hält die Partikel in Lösung voneinander getrennt und bildet die Andockstelle für Biomoleküle.

Die wichtigsten Partikelklassen

Gold und Silber

Goldnanopartikel sind chemisch sehr stabil, gut verträglich in Laboranwendungen und lassen sich über Schwefelverbindungen fest mit Biomolekülen verbinden. Ihre intensive rote Farbe macht sie zum Standard-Signalgeber in Lateral-Flow-Schnelltests. Silberpartikel zeigen eine noch stärkere Plasmonresonanz, oxidieren aber leichter und setzen Silberionen frei. Diese Ionen sind für die antibakterielle Wirkung verantwortlich, die in Textilien, Wundauflagen und Beschichtungen genutzt wird, und zugleich ein Grund, warum Silber in der Risikobewertung genau betrachtet wird.

Magnetische Partikel

Eisenoxidpartikel aus Magnetit oder Maghemit werden bei sehr kleinen Durchmessern superparamagnetisch: Sie sind im Magnetfeld stark magnetisch, behalten aber ohne Feld keine Restmagnetisierung und klumpen deshalb nicht zusammen. In der Diagnostik ziehen solche Partikel, beschichtet mit Antikörpern oder Nukleinsäuren, Zielmoleküle aus einer Probe heraus. In der Nanomedizin werden sie als Kontrastmittel und für die magnetische Hyperthermie untersucht.

Polymer- und Lipidpartikel

Organische Nanopartikel bestehen aus Kunststoffen, Proteinen oder Fetten. Biologisch abbaubare Polymere wie PLGA können Wirkstoffe einschließen und langsam freisetzen. Liposomen sind Bläschen aus einer Lipiddoppelschicht, ähnlich einer Zellmembran. Lipid-Nanopartikel sind eine Weiterentwicklung mit ionisierbaren Lipiden, die negativ geladene Nukleinsäuren wie mRNA aufnehmen und in Zellen bringen können.

Wie Nanopartikel hergestellt werden

Die meisten Partikel für biologische Anwendungen entstehen nasschemisch. Ein klassisches Beispiel ist die Citratmethode nach Turkevich aus dem Jahr 1951: Eine Goldsalzlösung wird erhitzt und mit Natriumcitrat versetzt, das Gold reduziert und die entstehenden Partikel zugleich stabilisiert. Über das Mengenverhältnis lässt sich die Größe steuern. Die 1994 beschriebene Zweiphasenmethode nach Brust liefert sehr kleine, mit Thiolen umhüllte Goldpartikel, die sich wie Moleküle handhaben lassen.

Eisenoxidpartikel entstehen häufig durch Mitfällung von Eisensalzen in basischer Lösung oder durch thermische Zersetzung von Eisenverbindungen in organischen Lösungsmitteln, die besonders einheitliche Größen erlaubt. Lipid-Nanopartikel werden durch schnelles, kontrolliertes Vermischen einer Lipidlösung mit einer wässrigen Wirkstofflösung gebildet, zum Beispiel in Mikrokanälen. Für Industrieprodukte wie Pigmente oder Füllstoffe kommen Gasphasenverfahren und Mahlprozesse dazu.

Welche Eigenschaften zählen

Für die Anwendung entscheidend sind wenige Kenngrößen:

1. Größe und Größenverteilung: Sie bestimmen Farbe, Magnetismus, Verhalten im Körper und Wanderung durch eine Testmembran. Einheitliche Partikel liefern reproduzierbare Ergebnisse.
2. Form: Neben Kugeln gibt es Stäbchen, Würfel, Sterne und Hohlschalen. Goldnanostäbchen absorbieren zum Beispiel zusätzlich im nahen Infrarot, das tiefer in Gewebe eindringt.
3. Oberflächenladung: Sie entscheidet, ob Partikel sich gegenseitig abstoßen oder verklumpen, und beeinflusst die Aufnahme in Zellen. Gemessen wird sie meist als Zetapotential.
4. Oberflächenchemie: Funktionelle Gruppen wie Carboxyl-, Amino- oder Thiolgruppen sind die Ankerpunkte für die Biokonjugation.
5. Stabilität: Salz, pH-Wert und Proteine in einer Probe können Partikel zusammenlagern lassen. Stabilisierende Hüllen wie PEG verhindern das.

Wie man diese Größen bestimmt, mit dynamischer Lichtstreuung, Elektronenmikroskopie oder Spektroskopie, erklärt die Seite Charakterisierung von Nanomaterialien.

Nanopartikel im biologischen Umfeld

Ein Partikel, das im Reagenzglas sauber definiert ist, verändert sich, sobald es mit Blut, Speichel oder Zellkulturmedium in Kontakt kommt. Proteine lagern sich an, bilden eine Corona und geben dem Partikel eine neue biologische Identität. Im Körper erkennen Fresszellen in Leber und Milz viele Partikel und entfernen sie aus dem Blut. Für Diagnostik außerhalb des Körpers ist das weniger relevant, für Anwendungen in der Medizin dagegen zentral. Deshalb wird intensiv an Oberflächen geforscht, die unerwünschte Wechselwirkungen verringern und gewünschte, etwa die Bindung an eine bestimmte Zelle, verstärken.

Für Schnelltests und Laborassays werden Partikel mit Antikörpern ausgestattet, mehr dazu unter Biosensoren und Schnelltests und Nanotechnologie und Immunologie.