Quantenpunkte

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Quantenpunkte sind eine Klasse von „Nanokristallen“ mit einem sehr kleinen Durchmesser von häufig nur einem oder wenigen Nanometern. Wegen ihrer besonderen Eigenschaften werden sie in optischen, elektronischen oder katalytischen Anwendungen eingesetzt, z.B. in der Photovoltaik für Solarzellen. Quantenpunkte werden auch im medizinischen Bereich erprobt, da die winzigen Teilchen über ihre optischen Eigenschaften beispielsweise Tumore im Gewebe sichtbar machen können.

Wie könnte ich damit in Kontakt kommen?

Der Verbraucher kommt derzeit kaum mit den Quantenpunkten in Berührung, da sie für die Forschung die größte Bedeutung haben. Ihre Verwendung in Produkten des täglichen Lebens beschränkt sich auf QLED-Fernseher und Displays weniger Hersteller. Ein direkter Kontakt mit den Quantenpunkten besteht hier nicht.

Wie gefährlich ist das Material für Mensch und Umwelt?

Da Verbraucher nicht mit Quantenpunkten in Kontakt kommen, gilt das Folgende nur für Mitarbeiter von Forschungslaboren: Wenn Quantenpunkte verschluckt werden, löst häufig die Magensäure die Beschichtung der Teilchen ab, so dass das innere Material frei liegt. Über die Haut werden Quantenpunkte nur aufgenommen, wenn sie bereits geschädigt ist. Dort können die Partikel auch Entzündungen auslösen. Nach der Aufnahme in den Körper reichern sich die Quantenpunkte wie für vergleichbare partikuläre Materialien üblich in der Leber und der Milz an. Da sie relativ stabil sind, können sie lange Zeit in den Organen verbleiben. Alle Studien zur Aufnahme, Verteilung und dem Übertritt durch die Blut-Hirn-Schranke wurden mit Tieren durchgeführt, meist nach intravenöser Gabe, weshalb sie für eine Gefährdung des Menschen im normalen Leben nur begrenzte Aussagekraft haben.

Fazit

Quantenpunkte sind von großem wissenschaftlichem Interesse, werden jedoch in verbrauchernahen Produkten derzeit nur vereinzelt eingesetzt. Da sie meist auch giftige Elemente wie Cadmium enthalten können, wird auch in Zukunft eine Anwendung am Menschen nur bedingt möglich sein.

Materialinfo

Eigenschaften und Anwendungen

Nanokristalle, in denen aufgrund ihres äußerst kleinen Durchmessers (im Bereich weniger Nanometer) sogenannte Quanteneffekte auftreten, werden als Quantenpunkte bezeichnet. Diese bestehen nicht aus einem einheitlichen Material, sondern beschreiben eine ganze Klasse von Materialien. Die Quanteneffekte sorgen dafür, dass die Nanokristalle außerordentlich interessante optische, magnetische und auch elektronische Eigenschaften besitzen. So können Sie z.B. mit Hilfe von Licht leuchten (fluoreszieren), sehr effizient Strom liefern oder als superkleine Informationsspeicher oder Prozessorelemente dienen.

Quantenpunkte in Schichtsystemen (z.B. für Displays), © C. Steinbach — Quantenpunkte in Schichtsystemen (z.B. für Displays)

Mit einer Größe von etwa 1-100 nm bestehen Quantenpunkte meist aus Halbleiter-Materialien. Aufgebaut sind sie entweder aus einem oder aus verschiedenen Materialien, die einem Aufbau-Prinzip aus Kern und Schale folgen. Oft werden für Kern und Schale unterschiedliche Materialien verwendet, wobei auch mehrere Hüll-Schichten möglich sind. Sowohl die elektronischen als auch die optischen Eigenschaften der Quantenpunkte können mit diesen sogenannten Kern-Schale-Strukturen punktgenau eingestellt werden, was sie für die jeweiligen Anwendungen sehr interessant macht.

Für freie metallische Quantenpunkte besteht ein theoretisches Risiko, dass sie sich wegen ihrer großen Oberfläche selbst entzünden können. Da sie aber meist nur eingebettet in Flüssigkeiten oder Kunststoffen verarbeitet und in sehr kleinen Mengen eingesetzt werden, ist eine Selbstentzündung sehr unwahrscheinlich.

Man unterscheidet hauptsächlich zwischen drei Arten von Quantenpunkten:

III-V-Halbleiter: aus Elementen der Hauptgruppe III des Periodensystems der Elemente (Bor, Aluminium, Gallium, Indium) und Hauptgruppe V (Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut)

II-VI-Halbleiter: aus Elementen der Nebengruppe II (Zink, Cadmium) und der Hauptgruppe VI (Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur)

Silizium (Si), das Standardmaterial der Halbleiter- und Chip-Industrie

Schematischer Aufbau eines freien Kern-Schale-Quantenpunkts, © C. Steinbach

Der bekannteste Vertreter der III-V-Halbleiter ist Galliumarsenid (GaAs). Im Bereich der optischen Datenverarbeitung dient es vor allem als Lichtquelle und wird zudem als Verstärkungsmedium in Lasern eingesetzt. Jedoch scheint Galliumarsenid für Spezialanwendungen reserviert zu bleiben und keine Konkurrenz zu Silizium in der Halbleiterindustrie darzustellen.

Prominenteste Vertreter der II-VI-Halbleiter-Quantenpunkte sind Cadmiumselenid (CdSe) und Cadmiumtellurid (CdTe). Aber auch Zinkoxid (ZnO), das in Form von Mikro- und Nanopartikeln bereits vielfältige Verwendung findet, wird zunehmend als Material in Quantenpunkten verwendet. Einsatzgebiete für die II-VI-Halbleitermaterialien umfassen dank ihrer herausragenden Fluoreszenz-Eigenschaften die Bereiche Elektronik, Photonik, Photovoltaik und Biomedizin. Cadmiumselenid-basierte Quantenpunkte sind bevorzugt in Beleuchtungsanwendungen und Displays auf Basis von Quantenpunkt-LEDs zu finden.

In Dünnschichtsolarzellen wird derzeit der Einsatz von Cadmiumtellurid-basierten Quantenpunkten erprobt, die eine deutliche Effizienzsteigerung versprechen. Da diese Quantenpunktmaterialien allerdings toxisches Cadmium enthalten, wird weiter nach Alternativen geforscht. Als Biomarker dienen II-VI-Quantenpunkte zum Nachweis von Biomolekülen in medizinischen Proben.

Silizium-Quantenpunkte sind derzeit längst noch nicht so weit entwickelt wie ihre Vertreter der III-V bzw. II-VI-Halbleiter. Sie versprechen jedoch großes Potenzial für eine Integration in die aktuelle Siliziumelektronik, z.B. als Bestandteil von Optikchips, Prozessoren, optischen Sensoren oder in der Photovoltaik zum Erzielen großer Effizienzsprünge. Aufgrund des aktuell hohen Preises werden derartige Silizium-Materialien vornehmlich in der Raumfahrtindustrie eingesetzt.

Quantenpunkte sind immer noch ein großes Thema für die Forschung und werden derzeit nur vereinzelt in verbrauchernahen Produkten eingesetzt. Viele Konzepte und Effekte müssen noch genauer untersucht werden.

Herstellung

Leuchtend bunte Röhrchen mit Quantenpunktne Bildquelle Leo / Fotolia.com — Quantenpunkte ©Leo / Fotolia.com

Die neue Materialklasse Quantenpunkte wurde erstmals in den 1980er Jahren entdeckt und die heutigen Herstellungsmethoden, darunter nasschemische Verfahren, Lithographie oder auch Molekularstrahlepitaxie, variieren je nach Ausgangsmaterial.

Ausgangsmaterial für Silizium-Quantenpunkte ist Siliziumdioxid. In eine entsprechende Matrix aus Siliziumdioxid werden weitere Silizium-Ionen eingebracht und diese anschließend längere Zeit bei hohen Temperaturen erhitzt, bis sich die gewünschten Nanokristalle formieren.

Lithographisch werden Quantenpunkte über einen Elektronenstrahl auf ein entsprechendes Substrat „geschrieben“ und anschließen durch ein geeignetes Ätzverfahren freigelegt. Stark vereinfacht wird auf einer Oberfläche ein spezieller Lack aufgebracht, welcher die Komponenten für die Erzeugung der gewünschten Quantenpunkte enthält. Beim Auftreffen des punktförmigen Elektronenstrahls werden dann an diesen sehr kleinen Stellen die Komponenten in Quantenpunkte umgewandelt. Im Anschluss werden dann die überschüssigen Lackreste entfernt. Nachteile dieses Verfahrens sind eine schlechte Reproduzierbarkeit und hoher Aufwand.

Die Molekularstrahlepitaxie wird zur Herstellung von Quantenpunkten aus III-V-Halbleitern, wie beispielsweise Galliumarsenid, genutzt. Hier werden die beiden Metalle Gallium und Arsen gleichzeitig verdampft und dann auf eine Oberfläche geschossen. Alternativ können sie auch mit der sogenannten Gasphasenabscheidung aus metallorganischen Verbindungen hergestellt werden. Dabei werden die Quantenpunkte direkt auf dem für die jeweilige Anwendung benötigten Substrat erstellt.

Schließlich können auch mit nasschemischen Verfahren kolloidale Quantenpunkte aus III-V-Halbleitern sowie auch aus II-VI-Halbleitern hergestellt werden, meist für die Anwendung in biologischen Medien. Die Mitte der 1990er Jahre entwickelten Quantenpunkte bestanden beispielsweise aus einem Kern aus Cadmiumselenid mit einer Schale aus Zinksulfid. Hier werden zunächst Cadmiumselenid-Nanokristalle aus einer Cadmium-Salzlösung mit Selenid-Anionen ausgefällt. Nach dem gleichen Prinzip lässt man dann im Anschluss eine Hülle aus Zinksulfid auf diesen Nanokristallen aufwachsen.

Weiterführende Informationen:

Welt der Physik (DE): Quantenpunkte: Technische Anwendungen der „künstlichen Atome“

Welt der Physik (DE): Dotierte Quantenpunkte für schnellere Chips

Exposition des Menschen

Während des Herstellungsprozesses könnten Arbeiter Quantenpunkte über die Lunge aufnehmen, verschlucken oder über die Haut mit ihnen in Kontakt kommen. Die biologische Wirkung von Quantenpunkten wird in der aktuellen Fachliteratur kontrovers diskutiert. Studien haben gezeigt, dass sich Quantenpunkte im Organismus verteilen und möglicherweise in unterschiedlichen Organen und Geweben anreichern können.

Allgemeine Gefährdung

Aufgrund ihrer optischen Eigenschaften haben Quantenpunkte viele Vorteile gegenüber bislang verwendeten organischen Farbstoffen. Sie sind daher perfekt für biologische Färbungen und Anwendungen in der Diagnostik geeignet . Darüber hinaus können sowohl Medikamente als auch sogenannte Zielmoleküle (wie beispielsweise Antikörper oder Peptide) an die Oberfläche von Quantenpunkten geheftet werden. Damit könnten Medikamente zelltyp- bzw. organspezifisch an ihren Wirkort gebracht werden . Eine solche direkte Anwendung im Körper (in vivo) setzt zumeist eine intravenöse Injektion der Partikel voraus. Daher beschäftigten sich auch diverse Studien damit, die Verteilung, Ausscheidung, den Metabolismus und die Toxizität von Quantenpunkten nach intravenöser Gabe zu untersuchen . Zudem wurde die Durchlässigkeit der Haut und das Verhalten von Quantenpunkten nach dem Schlucken im Magen-Darm-Trakt analysiert .

Untersuchungen am lebenden Organismus – in vivo

Wie sich die unterschiedlichsten Quantenpunkte im Körper verteilen, wurde in Mäusen und Ratten durch intravenöse Injektion nach verschiedenen Zeitpunkten analysiert . Einige Beispiele werden im Folgenden etwas genauer erläutert.

Nach ihrer Injektion in die Schwanzvene von Mäusen verteilten sich Quantenpunkte trotz unterschiedlicher Beschichtungen sofort im Blutkreislauf der Tiere. Innerhalb nur einer Stunde waren jedoch nahezu alle Quantenpunkte aus dem Blut verschwunden und konnten, abhängig von ihrer Beschichtung, in der Leber, der Haut oder im Knochenmark wiedergefunden werden . Lediglich eine ganz bestimmte Beschichtung verhinderte das schnelle Eliminieren aus der Blutbahn. Selbst 133 Tage nach der Injektion konnten die Quantenpunkte noch anhand ihrer starken Fluoreszenz detektiert werden. Das hohe Fluoreszenzsignal zeigt, dass bis dahin kein Abbau der Quantenpunkte im Organismus stattgefunden hat. Darüber hinaus konnte im Verlauf des gesamten Experiments keinerlei Zelltod in der Umgebung der Quantenpunkte beobachtet werden . Weitere Tierversuchsstudien hingegen berichten vom Verlust der Leuchtkraft – und damit dem Abbau– von Quantenpunkten mit anderen Beschichtungen . Möglicherweise schützen Beschichtungen mit höherem Molekulargewicht Quantenpunkte besser vor ihrem Abbau in vivo als kleinere Beschichtungsmoleküle (mit geringerem Molekulargewicht) .

In einer eher kurzen Studie (über einen Zeitraum von zehn Tagen) konnte in Ratten gezeigt werden, dass sich, abhängig von der Beschichtung, Quantenpunkte mehr oder weniger gut in der Leber und der Milz, sowie in geringerem Ausmaß auch in der Lunge und den Nieren anreichern können . Über die gesamte Versuchszeit blieben die verwendeten Quantenpunkte stabil (kein Abbau) und wurden weder über den Urin noch über den Kot ausgeschieden. Höchst wahrscheinlich waren diese Quantenpunkte zu groß für eine Ausscheidung über die Nieren .

In Übereinstimmung damit konnte in einer etwas längeren Studie (über 28 Tage) mit Mäusen gezeigt werden, dass sich Quantenpunkte in der Leber, der Milz und den Nieren ablagern, ohne ausgeschieden zu werden . Beobachtungen von Mäusen über einen Zeitraum von zwei Jahren (!) ergab, dass sich Quantenpunkte bereits kurz nach der Injektion in der Leber, der Milz, der Lymphe und dem Knochenmark befinden. Während das Signal in der Leber bereits nach fünf Tagen abschwächte, dauerte es bis zu sechs Monate bevor auch das Signal im Knochenmark anfing schwächer zu werden. Bemerkenswerter Weise blieb das Signal in der Lymphe bis zu zwei Jahre vorhanden. Quantenpunkte waren also auch noch nach zwei Jahren im Körper fluoreszierend und es konnte keinerlei Toxizität festgestellt werden .

Untersuchung außerhalb des Körpers – in vitro

Quantenpunkte können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden und weiterhin verschiedene Umhüllungen erhalten, daher kann es keine einheitlichen Reaktionen in Zellkulturen oder Tierversuchen geben. An dieser Stelle soll aber ein genereller Überblick helfen, diese besonderen Nanopartikel zu beurteilen. Viele unterschiedliche bzw. unterschiedlich modifizierte Quantenpunkte wurden in vitro in verschiedenen Zelltypen auf ihre mögliche Toxizität untersucht. Generell beeinflussen folgende physikalisch-chemische Eigenschaften der Quantenpunkte das Ausmaß ihrer biologischen Wirkungen: die Größe (Durchmesser), das Kern- sowie das Hüllmaterial, die Stabilität des Hüllmaterials, die Art der zusätzlichen Beschichtung, der gewählte Produktionsprozess sowie die Oberflächenladung. Darüber hinaus bestimmen sowohl der Zelltyp, in dem die Experimente durchgeführt wurden, als auch der gewählte Konzentrationsbereich die Resultate der Tests .

Verschiedene Hüll- und Beschichtungsmaterialien werden eingesetzt, um den Kern der Quantenpunkte zu schützen und die Freisetzung z.B. giftiger Cadmium-Ionen zu verhindern . Die Stabilität des kompletten Quantenpunkts hängt somit massgeblich von der Stabilität seiner Hülle und/oder seiner zusätzlichen Beschichtung ab. Wie stabil Quantenpunkte in lebenden Zellen oder auch im Organismus (vgl. Abschnitt "Exposition") sind, hängt u.a. davon ab, wo sie sich innerhalb einer Zelle genau befinden (vgl. Kapitel „Wirkung auf den Menschen – Aufnahmeverhalten in Zellen“) .

Im Gegensatz zu ihrer schützenden Funktion könnten die Beschichtungsmaterialien selbst einen schädigenden Effekt auf Zellen ausüben . Das Beschichtungsmaterial sollte daher für die Herstellung von Quantenpunkten für medizinische Zwecke gezielt und überlegt ausgewählt werden. Die sehr kleinen Quantenpunkte werden durch die zusätzliche Beschichtung stark vergrößert. Die Größe spielt, wie unter Kapitel „Wirkung auf den Menschen“ detaillierter beschrieben, bei der Ausscheidung von Quantenpunkte aus lebenden Organismen eine entscheidende Rolle.

Nicht nur die mögliche Freisetzung von schädlichen Cadmium-Ionen trägt zur Toxizität von Quantenpunkten bei, sondern auch ihre Fähigkeit reaktive Sauerstoffspezies (ROS) zu erzeugen . In höheren Konzentrationen verursachen diese Schäden in der Zelle, die durchaus bis zum Zelltod führen können . In zwei unterschiedlichen Zelltypen wurde die Verteilung von Quantenpunkten innerhalb der Zelle untersucht. Kleinere Quantenpunkte wurden vermehrt im Kern gefunden, größere hingegen im Zytoplasma . In der gleichen Studie konnte gezeigt werden, dass positiv geladene, kleinere Quantenpunkte giftiger waren als größere Quantenpunkte mit gleicher Ladung. Darüber hinaus fanden andere Wissenschaftler heraus, dass positiv geladene QD Zelltod in Leberzellen auslösen können .

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass die Oberflächenladung durchaus zur Toxizität von Quantenpunkten beitragen kann. Was jedoch die Größenabhängigkeit der Quantenpunkt-Giftigkeit angeht, lassen sich in der Fachliteratur auch gegensätzliche Ergebnisse finden. Beispielsweise wurden Quantenpunkte unabhängig von ihrer Größe gleich gut in verschiedene Zellen aufgenommen und dann auch ähnlich im Innern dieser Zellen verteilt. Es konnte in dieser Studie nach zehn Tagen noch keinerlei Giftigkeit gemessen werden .

Bislang bleibt auch ungeklärt, ob Quantenpunkte in Zellen eindringen müssen um diese negativ zu beeinflussen oder ob es ausreicht, von außen mit den Zellen in Kontakt zu kommen. Zum einen wurde gezeigt, dass erst mit Aufnahme der Quantenpunkte ins Zellinnere und dem Abbau des Cadmium-Kerns Zelltod eintritt . Zum anderen gibt es aber auch Ergebnisse, die zeigen, dass bereits das Ablagern von Quantenpunkten auf der Zelloberfläche ausreicht, um die Vitalität der Zelle zu beeinträchtigen – wenn auch auf andere Weise als von aufgenommenen Partikeln .

In mehreren Studien wurde über die generelle Vitalität der Zellen hinaus, im Speziellen die Schädigung ihres Erbmaterials (DNA) untersucht . Defekte im Erbmaterial können im besten Fall von Zellen repariert werden, ohne weitere Auswirkungen nach sich zu ziehen. Im schlimmsten Fall können solche Schäden jedoch zu Krebs und/oder erblichen Erkrankungen führen.

Der Abbau von DNA konnte sowohl in Gegenwart als auch in Abwesenheit von Licht durch Quantenpunkte hervorgerufen werden. Möglicherweise waren an dieser Reaktion reaktive Sauerstoffformen beteiligt . Aber auch die Kern- und Hüllmaterialien scheinen den Schweregrad der DNA-schädigenden Wirkung von Quantenpunkten mitzubestimmen. Partikel die lediglich aus einem Cadmium-Tellurid-Kern bestanden, lösten die höchste DNA-Schädigung aus. Eine zusätzliche Hülle machte die Quantenpunkte weniger schädlich. Die Verwendung eines anderen, ebenfalls umhüllten Kernmaterials verursachte letztendlich nahezu keine Verletzungen des Erbgutes .

Freisetzung in die Umwelt

Zu einer Umweltexposition mit Quantenpunkten sind derzeit keine Daten vorhanden.

Aufnahme in den Menschen

Zur Aufnahme von Quantenpunkten in den Körper liegen derzeit nur wenige Studien vor. Verschiedene Hüll- und Beschichtungsmaterialien schützen den Kern der Quantenpunkte und verhindern so die Freisetzung.

Aufnahme über die Haut – Dermal

Mit Hilfe von Schweinehaut wurde untersucht, ob Quantenpunkte die intakte Haut durchdringen können oder nicht . Hierzu wurde die Schweinehaut in einem speziellen Versuchsaufbau mit Blut durchspült, das unterschiedliche Quantenpunkte enthielt. Je nach Oberflächenmodifikation konnten mehr oder weniger Quantenpunkte in Kapillaren der Haut detektiert werden. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass unter bestimmten Voraussetzungen ein Übertritt der Quantenpunkte aus dem Blut in die Haut möglich ist . Des Weiteren bestätigt es frühere Resultate der gleichen Forschergruppe, die auch in vitro zeigen, dass Hautzellen Quantenpunkte mit unterschiedlichen Oberflächen unterschiedlich gut aufgenommen werden können .

Im gleichen Hautmodell und ebenfalls in Hautzellen (im in vitro Versuch) wurden Effekte von Quantenpunkten untersucht, die oberflächlich auf die Haut aufgetragen wurden . In diesem Fall drangen Quantenpunkte mit einer speziellen Beschichtung nur in die oberste, aus toten Zellen bestehende, Hornschicht der Haut ein. Die Vitalität lebendiger Hautzellen hingegen nahm im in vitro Versuch mit steigender Quantenpunkt-Konzentration ab .

Um den Einfluss von Quantenpunkten auf von der Sonne geschädigte Haut zu untersuchen, wurde die Haut von Mäusen mit UV-Licht bestrahlt und anschließend oberflächlich mit Quantenpunkten behandelt . Es konnte gezeigt werden, dass im Vergleich zu unbehandelter Haut, nach UV-Bestrahlung mehr Quantenpunkte in tiefere Hautschichten eindringen konnten. Die Wissenschaftler schließen daraus, dass die Eindringtiefe von Quantenpunkten stark vom Gesundheitszustand der Haut aber auch von den Eigenschaften der Quantenpunkte selbst (z.B. Größe, Oberflächenchemie) abhängt .

Zudem wurden verschiedene Verletzungsarten der Haut in Maus- und Rattenmodellen untersucht. Verglichen wurden die sogenannte „Tape-Stripping-Methode“, welche lediglich die oberste Hautschicht, also die Hornschicht, entfernt; eine oberflächliche Behandlung mit einer entfettenden Chemikalie (Aceton), Hautabschürfungen, die auch tiefer liegende Hautschichten verletzen, sowie Dehnung der Haut. Lediglich nach Hautabschürfungen konnten Quantenpunkte bis in tiefere Hautschichten vordringen . Darüber hinaus konnten in Tieren mit Hautabschürfungen etwa 2% der ursprünglich aufgetragenen Cadmium-Menge (aus dem Cadmium-Selenid-Kern der Quantenpunkte) sowohl in der Lymphe als auch in der Leber detektiert werden. Dies deutet darauf hin, dass ab einer gewissen Schwere der Hautschädigung Quantenpunkte nicht nur bis in tiefe Hautschichten vordringen können, sondern sich sogar über die Blutbahn im Körper verteilen könnten – dies gilt zumindest für die hier untersuchten Quantenpunkte in diesem speziellen Maus-Haut-Modell.

Zusammenfassend lässt sich aus diesen Daten schließen, dass nur ein sehr geringer Anteil oberflächlich verabreichter Quantenpunkte die intakte Haut durchdringen kann. Sollte die Haut jedoch beschädigt sein und somit das Eindringen der Quantenpunkte erleichtern, besteht eventuell die Möglichkeit, dass Zellen tieferliegender Hautschichten beeinträchtigt bzw. Entzündungsreaktionen ausgelöst werden.

Aufnahme über den Magen-Darm-Trakt

Um Quantenpunkte für biomedizinische Anwendungenim lebenden Organismus für z.B. bildgebende Verfahren oder die Verabreichung von Medikamenten einzusetzen, ist es essentiell, dass sie zielgerichtet die gewünschte Position im Körper erreichen (vgl. Artikel zu „Verhalten im Körper“). Dies kann durch spezielle Beschichtungen an der Quantenpunkt-Oberfläche erreicht werden. Es wurde gezeigt, dass diese Beschichtungen in saurer Umgebung abgebaut werden und somit giftige Cadmium-Ionen freigesetzt werden können (vgl. Artikel zu „Exposition – in vitro“). Ein solcher Abbauprozess kann sowohl in bestimmten abgegrenzten Bereichen im Innern einer Zelle stattfinden als auch in Organen wie z.B. dem Magen. Daher werden Quantenpunkte zumeist in die Blutbahn gespritzt. Dennoch untersuchten Wissenschaftler kürzlich die Verteilung und Stabilität von verschiedenen Quantenpunkten im Verdauungstrakt der Maus nach dem Verschlucken.

Über die Kombination verschiedener Beschichtungsbausteine haben Wissenschaftler jetzt eine neue Beschichtung für Quantenpunkte entwickelt, welche den Abbau der Quantenpunkte in stark sauren Lösungen verhindert. UNd das nicht nur in vitro sondern auch in vivo nach oraler Verabreichung im Verdauungstrakt von Mäusen . Die Autoren sehen dadurch die Möglichkeit,Quantenpunkte zur Untersuchung von Prozessen im Verdauungstrakt lebender Organismen einzusetzen.

Aufnahme und Wirkung in Umweltorganismen

Quantenpunkte können aus giftigen Metall-Verbindungen wie Cadmium-Tellurid und Cadmium-Selenid aufgebaut sein. Toxische Effekte durch Quantenpunkte wurden zwar beschrieben, sind jedoch auf die herausgelöste Metalle zurückzuführen. Eine Beschichtung der Quantenpunkte beeinflusst ebenfalls die Toxizität. Zahlreiche Oberflächenmodifikationen wurden entwickelt, die das Herauslösen der giftigen Metalle verhindern sollen. Auch spielt die Lichtqualität und –quantität für die Wirkung eine Rolle, so macht eine UV-B Bestrahlung die Partikel giftiger.

Wasserfloh mit aufgenommenen leuchtenden Quantenpunkten. © Lewinski et al., 2010.

Quantenpunkte mit verschiedenen Umhüllungen werden zu unterschiedlichen Anteilen von Wasserflöhen aufgenommen, ebenso unterscheidet sich die Ausscheidung je nach Art der Beschichtung . Die Größe hatte jedoch keinen Einfluss auf die Aufnahme . Für verschiedene Bakterien und Wasserflöhe sind einige Arten von Quantenpunkten toxisch, wobei auch hier die Art der Umhüllung und UV-Licht einen Einfluss auf die Stärke des Effekts hat . Je mehr Schwermetalle sich herauslösen, umso stärker ist der toxische Effekt . In Gegenwart von umweltrelevanten Verbindungen, die Schwermetalle binden, verringert sich dieser toxische Effekt wieder . Manche Quantenpunkte können den mikrobiellen Abbau von abgestorbenen organischen Materialien in der Umwelt verlangsamen , d.h. sie hemmen die Aktivität der Bakterien.

In wässrigen Lösungen waren einige Arten von Quantenpunkten toxisch für Algen . Es wurde eine Hemmung der Photosynthese-Leistung der Algen nachgewiesen, d.h. sie konnten das Licht nur noch eingeschränkt für ihre Ernährung nutzen . Eine Aufnahme der Partikel in Algenzellen wurde nicht beobachtet, jedoch hafteten sie an der Algenzellwand an. Wurden Quantenpunkt-exponierte Algen an Wasserflöhe verfüttert, konnten die Quantenpunkte in den Flöhen nachgewiesen werden. Damit kann ein Transfer von Quantenpunkten über die Nahrungskette von niederen auf höhere Organismen stattfinden . Gegenüber Kieselalgen wirkten Cadmium-haltige Quantenpunkte in Abhängigkeit von der Freisetzung der Cadmium-Ionen zelltoxisch . Diese Toxizität kann durch eine Oberflächenbeschichtung reduziert werden, welche die Cadmium-Freisetzung verhindert.

In Regenbogenforellen wurde nach Exposition gegenüber bestimmten Quantenpunkten eine negative Beeinflussung des Immunsystems nachgewiesen . Leberzellen der Regenbogenforelle wurden ebenfalls in Abhängigkeit von der Freisetzung von Cadmium geschädigt . Auch in Zebrabärblingsembryonen wurden negative Effekte beobachtet, diese waren auf die unterschiedlichen Metallkomponenten der Quantenpunkte, welche sich in geringen Anteilen lösen, aber auch teilweise auf die Art der Oberflächenbeschichtung zurückzuführen .

Zusammenfassend werden intakte Quantenpunkte, vor allem solche, die keine giftigen Metallionen abgeben, als wenig toxisch betrachtet. Generell ist für die Einschätzung der Toxizität von Quantenpunkten die Art der Oberflächenbeschichtung zu berücksichtigen. Mit einem verlängerten Verbleib in der Umwelt ist eine erhöhte Freisetzung von giftigen Metallen aus Schwermetall-haltigen Quantenpunkten verbunden, welche eine toxische Wirkung auf Umweltorganismen haben. Hier sind jedoch, wenn vorhanden, zahlreiche organische Verbindungen in der Umwelt in der Lage, die Metallionen zu binden.

Wirkung auf den Menschen

Das Aufnahmeverhalten in Zellen hängt von der Beschichtung der Quantenpunkte ab.

Verhalten im Körper

Je länger Cadmium-basierte Quantenpunkte im Körper bleiben, desto höher steigt das Risiko für einen Abbau der schützenden Beschichtung. Wird diese abgebaut, kommt es zur Freisetzung von Cadmium-Ionen, die wiederum in ihrer Umgebung toxische Effekte auslösen können.

In einer Modell-Studie an Ratten haben daher Forscher systematisch die Ausscheidung von Cadmium-basierten Quantenpunkten in verschiedener Größe Oberflächenmodifikationen untersucht. Je größer die Quantenpunkte waren, desto schlechter war die Ausscheidung über den Urin. Größere Quantenpunkte wurden stattdessen in der Leber, der Lunge und der Milz gefunden. Für eine schnelle und effiziente Ausscheidung über den Urin sollte daher der hydrodynamischen Durchmesser der eingesetzten Quantenpunkte bei biomedizinischen Anwendungen 5,5 Nanometer nicht überschreiten. Serumproteine können ebenfalls zu einer unerwünschten Vergrößerung des hydrodynamischen Durchmessers auf bis zu 15 nm führen, da sie bevorzugt an die positiv oder negativ geladenen Quantenpunkte binden. Eine passende Beschichtung kann hier für Abhilfe sorgen .

Zusammengefasst sind für eine mögliche Anwendung der Quantenpunkte in lebenden Organismen oder gar im Menschen neben der gewünschten Funktionalität noch verschiedenste Gesichtspunkte zu berücksichtigen. Zum einen sollten die Partikel und ihre Beschichtungen so stabil wie möglich sein, um den Austritt von Cadmium-Ionen zu verhindern. Zum anderen kann eine effiziente Ausscheidung aber nur für Quantenpunkte kleiner 5 Nanometer sichergestellt werden, was mit derzeit üblichen Beschichtungen nahezu unmöglich ist.

Verhalten an der Blut-Hirn-Schranke

Die Blut-Hirn-Schranke schützt das Gehirn vor diversen fremden und potentiell gefährlichen Substanzen, verhindert aber auch den Übertritt von hilfreichen Substanzen. Es ist daher eine immense Herausforderung Medikamente spezifisch im Gehirn zu applizieren.

Kürzlich wurde die Verteilung von QD untersucht, die mit funktionellen Gruppen modifiziert wurden und in die Bauchhöhle von Mäusen gespritzt wurden . Wie bereits aus anderen Studien bekannt, wurden die QD über den Blutkreislauf verteilt und reicherten sich in der Milz, der Leber und den Nieren an. Darüber hinaus konnten zwar geringere aber immer noch signifikante Mengen im Gehirn detektiert werden. Obwohl die Mehrheit der Partikel in Blutgefässen der Leber, der Nieren und des Gehirns verblieb, schafften doch einige den Übertritt aus der Blutbahn, durch die Blut-Hirn-Schranke ins Gehirngewebe.

Aufnahmeverhalten in Zellen

Nicht-funktionalisierte Quantenpunkte sind nur mit einer einfachen Beschichtung ausgestattet, die keiner zusätzlichen biologischen Funktion dient. Nicht-funktionalisierte Quantenpunkte werden normalerweise mittels Endozytose in die Zelle aufgenommen und sind dann im Zytoplasma zu finden. Einige spezielle Arten von Quantenpunkten konnten auch im Zellkern nachgewiesen werden. Die Beschichtungsart der nicht-funktionalisierten Quantenpunkte scheint ebenfalls einen Einfluss auf das Aufnahmeverhalten der Nanopartikel zu haben. Je biokompatibler (also ungiftiger) eine Beschichtung die QD beispielsweise machte, desto weniger wurden diese von Zellen aufgenommen .

Bei den sogenannten funktionalisierten Quantenpunkten wird die Oberfläche der Nanopartikel zusätzlich mit unterschiedlichen Biomolekülen wie Antiköper oder Peptiden verändert. Die verschiedenen Moleküle werden allgemein als funktionelle Gruppen bezeichnet. Welcher Aufnahmemechanismus für eine bestimmte Sorte Quantenpunkte greift und wo diese innerhalb der Zelle letztlich landen, hängt stark von der Wahl der funktionellen Gruppen ab.

In der Bildgebung macht man sich dieses Verhalten zu Nutze. Mit speziellen Antikörpern ausgestattet, lassen sich selektiv die Zellmembran sowie weitere intrazelluläre Organellen anfärben. Weiterhin können über die Kopplung spezieller Protein-Marker wie Immunglobulin G spezifisch Brustkrebszellen identifiziert und sichtbar gemacht werden .

Zusammengefasst lässt sich zum einen über die Beschichtung der Quantenpunkte das Aufnahmeverhalten der Nanopartikel in die Zelle gezielt steuern. Zum anderen können mit spezifischen Biomolekülen ausgestattete Quantenpunkte zum Markieren und Sichtbarmachen spezieller Zellarten oder intrazellulärer Strukturen genutzt werden.

Verteilung in der Umwelt

Quantenpunkte bestehen häufig aus einem Schwermetall-Kern mit einer Umhüllung aus organischen Substanzen, welche die Partikel stabilisieren sollen. Sie kommen aufgrund ihrer Herstellung und Anwendung fast nur in wässrigen Suspensionen vor, weshalb sich die Untersuchungen ausschließlich mit dem Verhalten in Wasser beschäftigen. Das Verhalten von Quantenpunkten in der aquatischen Umwelt wird maßgeblich von der Löslichkeit der Metallbestandteile bestimmt.

Unter bestimmten Bedingungen kann es zu einem Verlust dieser Umhüllung kommen, was zum Herauslösen von giftigen Schwermetallen führen kann. Ein Teil dieser gelösten Metalle könnte jedoch von zahlreichen in der Umwelt vorhandenen Verbindungen (gelöste organische Materialien, Proteine) gebunden werden und diese sind damit nicht mehr für Organismen verfügbar .

Abhängig von der Art der organischen Umhüllung kommt es unter bestimmten Umweltbedingungen zu einer Agglomeration und Sedimentation der Quantenpunkte . Quantenpunkte interagieren mit in der Umwelt vorhandenen Verbindungen (gelöste organische Materialien, Alginate, Metall-Ionen), welche entweder an die Partikel binden, ihr Agglomerations- und Sedimentationsverhalten ändern oder die Fluoreszenz der Partikel einschränken können . Quantenpunkte können den mikrobiellen Abbau von abgestorbenen organischen Materialien in der Umwelt verlangsamen .

Generell scheint es bei längerem Verbleib in der Umwelt zur Auflösung der Partikel und Freisetzung von z.B. Cadmium-Ionen zu kommen .

Literatur

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