Nanophysik und Medizinische Physik
Wir bearbeiten Fragen von biologischer und medizinischer Relevanz mit physikalischen Methoden. Unsere Hauptwerkzeuge sind verschiedene Arten von Rastersondenmikroskopen. Mit dem Ziel, immer tiefer in die Nanowelt vorzudringen, stellen wir die Entwicklung neuer Instrumente und Methoden mit hohen Geschwindigkeiten und rauscharmen Eigenschaften in den Mittelpunkt unserer Forschung. Zu unseren Anwendungen gehören die Visualisierung der dynamischen Wechselwirkungen einzelner Biomoleküle, die Messung der morphologischen und mechanischen Eigenschaften lebender Zellen und Gewebe, die Analyse von Biomaterialien auf der molekularer Skala und die Aufklärung von Transportprozessen in künstlichen und natürlichen Membranen. Darüber hinaus entwickeln wir Elastographie-Methoden zur Gewebedifferenzierung in der minimal-invasiven Chirurgie.
Kontakt
Prof. Dr. Tilman Schäffer
Institut für Angewandte Physik
Universität Tübingen
https://www.bioforce.uni-tuebingen.de/de
Themen
Nanoanalytik, Nanomedizin, Mechanik von Zellen und Geweben, Elastographie, Sensorik, Oberflächen, Rastersondenmikroskopie, Einzelmolekül-Kraftspektroskopie.
Raster-Kraftmikroskopie (AFM)
Eines unserer Ziele ist es, dynamische und mechanische Eigenschaften von Strukturen auf molekularer, zellulärer und Gewebeebene abzubilden. Zu diesem Zweck verbessern wir kontinuierlich die Instrumente und Methoden der Rastersondenmikroskopie. Zum Beispiel verbessern wir die Auflösung und die Messgeschwindigkeit, indem wir Rasterkraftmikroskope für kleine Federbalken konstruieren. Diese kleinen Federbalken haben mechanische Resonanzfrequenzen im Megahertz-Bereich und können verwendet werden, um dynamische Wechselwirkungen zwischen einzelnen Biomolekülen (z. B. Protein-DNA-Wechselwirkungen) oder die komplexe Mechanik lebender Zellen in Echtzeit abzubilden.
Raster-Ionenleitfähigkeitsmikroskopie (SICM)
Die Raster-Ionenleitfähigkeitsmikroskopie (SICM) basiert auf einer elektrolytgefüllten Nanopipette. Die Nanopipette dient als Sonde für ortsaufgelöste Messungen des Ionenstroms über einer in einen Elektrolyten eingetauchten Probenoberfläche. Topographie- und Elastizitätsmodulbilder der Oberfläche können mit SICM nicht-invasiv über viele Minuten oder sogar Stunden aufgenommen werden. Dies ist besonders nützlich für die Langzeituntersuchung von weichen und sensiblen Proben wie lebenden Zellen.
Wasserfluss-Elastographie (WaFE)
Im Zusammenhang mit der Gewebedifferenzierung und Krebserkrankungen sind mechanische Eigenschaften wichtige Indikatoren für krankhafte Prozesse. Wir entwickeln daher neuartige Elastographie-Techniken, die zu diagnostischen Zwecken eingesetzt werden können, z.B. um krebsartiges von gesundem Gewebe zu unterscheiden. Ein vorgesehenes Anwendungsgebiet ist die minimalinvasive Chirurgie (MIC), bei der die Einschränkungen in der Sondengröße und einem begrenzten Handhabungsraum liegen. Vor kurzem haben wir die Wasserfluss-Elastographie (WaFE) entwickelt, bei der eine kleine, kostengünstige Sonde unter Druck stehendes Wasser gegen die Gewebeoberfläche leitet, um eine lokalisierte Vertiefung zu erzeugen. Aus der Messung des Eindringvolumens mit einem Durchflussmesser und unter Verwendung von Finite-Elemente-Simulationen kann der Elastizitätsmodul des Gewebes quantifiziert werden. Wir haben WaFE für ex vivo-Messungen an menschlichen Blasen verwendet und einen signifikant größeren Elastizitätsmodul für krebsartiges im Vergleich zu gesundem Gewebe gefunden.
