Korrelative Mikroskopie und Materialdaten

Für die detaillierte Charakterisierung von nanostrukturierten Werkstoffen und ihren neuartigen, vielfältigen Eigenschaften werden unterschiedliche Mikroskopietechniken eingesetzt. Dazu zählen Licht-, Elektronen-, Ionen- oder Röntgenmikroskopie sowie die zugehörigen spektroskopischen Messmethoden wie Raman-Spektroskopie. Um die hierbei generierten Materialdaten und die Komplexität ihrer Kombinationen auswerten und interpretieren zu können, entwickelt das Fraunhofer IKTS intelligente und adaptive Algorithmen.

Darüber hinaus handelt es sich bei modernen Materialentwicklungen – beispielsweise für die Medizintechnik – immer häufiger um Komposite aus biologischen Materialien sowie metallischen, keramischen und polymeren Werkstoffen. Das Fraunhofer IKTS verfügt über anspruchsvolle Methoden, mit denen sich Materialzusammensetzungen und die damit verbundenen physikalischen und chemischen Eigenschaften unter gezielt eingestellten Umwelteinflüssen analysieren lassen. Damit werden diese nicht nur parallel in einem korrelativen Arbeitsumfeld erfasst, sondern auch auf unterschiedlichen Größenskalen untersucht und beschrieben.

Die Abteilung arbeitet in zahlreichen interdisziplinären Projekten mit internationalen Partnern aus Industrie und Wissenschaft:

4D⁺-nanoSCOPE (Advancing osteoporosis medicine by observing bone microstructure and remodelling using a four-dimensional nanoscope)

Das ERC-Synergy-Projekt »4D⁺-nanoSCOPE« soll das bisherige Wissen über Osteoporose mittels korrelativer Mikroskopie entscheidend erweitern. Das Gemeinschaftsprojekt unter Mitwirkung des Universitätsklinikums Erlangen (Prof. Schett) sowie des Lehrstuhls für Mustererkennung (Prof. Maier) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zielt darauf ab, ein tiefergehendes Verständnis der zugrundeliegenden Knochenanatomie und der skalenübergreifenden Knochenarchitektur zu erhalten. Darüber hinaus sollen verbesserte medikamentöse Behandlungsmethoden und chirurgische Konzepte entwickelt werden. Als Grundlage dafür dient die detaillierte Beschreibung des Knochens in drei Dimensionen (3D) auf verschiedenen Längenskalen (von Makro- bis Nanoebene) sowie der Veränderungen der Knochenstruktur unter Belastung und im Laufe der Zeit (insbesondere als Reaktion auf Medikamente). Diese dynamische Überwachung als vierte Dimension wird durch die In-vivo-Untersuchung des Knochenumbaus realisiert. Zusätzlich lassen sich Informationen über die Knochenmorphologie und -eigenschaften gewinnen – einschließlich der mechanischen Festigkeit und Zusammensetzung – aus denen weitere Struktur-/Eigenschaftsbeziehungen abgeleitet werden können.

Forschungsaktivitäten im Bereich Mikroplastik

Mikro- und nanoskalige Plastikpartikel (MNP) finden sich nicht nur im Wasser, sondern auch in der Luft. Um mögliche Gesundheitsrisiken dieser MNP zu bewerten, entwickelt das Fraunhofer IKTS robuste Analysewerkzeuge, die dafür relevante wissenschaftliche Materialdaten generieren.

In aktuellen Voruntersuchungen werden die gesundheitlichen Auswirkungen der organischen Mikropartikel auf Nieren- und Lungenzellen genauer analysiert. Um MNPs unterschiedlicher Größe, Form und Polymerzusammensetzung unter verschiedenen Umwelteinflüssen in die Betrachtungen einbeziehen zu können, werden bestehende Methoden weiter verbessert und neue analytische Ansätze erprobt. Für die detaillierte morphologische und chemische Charakterisierung von MNPs bis zu einer Größe von 10 nm entwickelt das Fraunhofer IKTS korrelative Mikroskopie- und Spektroskopie-Workflows. Zur Unterstützung dieser korrelativer Arbeitsabläufe werden sogenannte Nano-GPS-Tags an der Probe oder dem Probenhalter angebracht, um stets dieselben Mikropartikel oder Regions of Interest (ROI) in unabhängigen Instrumenten lokalisieren zu können. Die Expertise des IKTS umfasst Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie, Heliumionenmikroskopie mit Massenspektrometrie sowie Mikro-Raman- und spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie (TERS).