Proteine im Brennpunkt: Adaptierbare Mikrolinsen aus Proteinen durch direktes Femto-Laserschreiben

19.12.2011: Ob direkt vor unserer Nase oder weit weg, wenn wir ein Objekt betrachten, sehen wir es – mit gesunden Augen oder passender Brille – immer scharf. Damit das klappt, verformen Muskeln die Linse und stellen so die passende Brennweite ein. Für miniaturisierte technische Geräte wären Linsen im Mikromaßstab mit ähnlich adaptierbarem Fokus interessant. Hong-Bo Sun und ein Team von der Jilin University (China) beschreiben in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun einen neuen Ansatz zur Herstellung adaptierbarer Mikrolinsen aus Proteingelen.

Proteine sind als Baumaterial für Mikrobauteile interessant, weil sie gut verfügbar, kostengünstig und biokompatibel sind. Und sie können ihre Eigenschaften als Antwort auf externe Reize ändern. Ein interessantes Material für einstellbare Mikrolinsen also. Allerdings müssen Linsen extrem präzise sein, um optischen Anforderungen zu genügen – das ist mit Proteinen schwer zu bewerkstelligen. Dazu soll die Herstellung rasch, einfach und kostengünstig laufen.

Die chinesischen Forscher haben diese Herausforderung nun gemeistert: Mit einem Laser „schreiben“ sie die gewünschte mikrometergroße Linsenform einfach in eine Lösung des Proteins Rinderserumalbumin. Methylenblau dient als Photosensibilisator, der die Lichtenergie wie eine Antenne einfängt und dann eine Vernetzungsreaktion der Proteinmoleküle auslöst. Computergesteuert fährt der Laser die gewünschte dreidimensionale Form Voxel für Voxel ab. Ein Voxel ist ein „dreidimensionales Pixel“, also ein winziges Volumenelement. Die Bestrahlung erfolgt in Form von Pulsen, die ungefähr von 10^-13 Sekunden dauern (Femtosekundenpulse). Die Vernetzung läuft ausschließlich an den bestrahlten Stellen ab. Nach der Reaktion können die nicht abreagierten Proteinmoleküle einfach weggewaschen werden. Übrig bleibt ein vernetztes wasserhaltiges Proteingel in Form mikrometergroßer Linsen.

Beim direkten Laserschreiben entstehen meist Strukturen mit viel zu rauer Oberfläche für optische Zwecke. Durch eine Optimierung von Bestrahlungsdauer, Pulsintensität und Proteinkonzentration erhielten Sun und sein Team dann aber Linsen mit ausgezeichneten optischen Eigenschaften.

Das Besondere: In Abhängigkeit vom pH-Wert der Lösung variiert die Flüssigkeitsmenge, die das Proteingel aufnimmt. Bei einer pH-Erhöhung schwillt die Linse an. Wird die Dickenzunahme durch eine Glasoberfläche limitiert, geht die Linse vor allem in die Breite und wird flacher. Wird der pH-Wert verringert, schrumpft das Gel und die Linse ist wieder stärker gekrümmt. Da der Krümmungsradius die Brennweite einer Linse bestimmt, lässt sich auf diese Weise der Fokus verändern und die Mikrolinsen können scharfgestellt werden.

Da die Proteinlinsen biokompatibel sind, könnten sie Anwendung in optischen Analysesystemen für die medizinische Diagnostik oder Lab-on-Chip-Technologien finden.

Originalveröffentlichung:
Yun-Lu Sun et al.; Dynamically Tunable Protein Microlenses; Angewandte Chemie