Schon vor rund 5000 Jahren schufen die Ägypter das erste künstlich hergestellte Pigment: Ägyptisch-Blau. Reste dieses Farbstoffs sind bis heute auf Wänden, Statuen, Sarkophagen und Keramik erhalten. Um dieses Blau herzustellen, mischten die Ägypter gemahlenen Quarzsand mit Kupfererz, Kalkstein und Pflanzenasche und brannten die Mischung dann mehrere Stunden lang bei knapp 900 Grad. Dabei entstand das Kupfer-Tetrasilikat Cuprorivait (CaCuSi4O10), der Hauptbestandteil des Ägyptisch-Blaus.
Nahinfrarot-Fluoreszenz mit großem Potenzial
Das Ägyptisch-Blau ist aber nicht nur haltbar und intensiv, es hat noch eine Besonderheit: Bestrahlt man das Pigment mit Nahinfrarotlicht, beginnt es stark zu fluoreszieren und leuchtet dadurch im Dunkeln. Genau diese Eigenschaft macht das Pigment attraktiv auch für die Medizin: „Aufgrund der verringerten Autofluoreszenz und Lichtstreuung bietet der Spektralbereich von 1000 bis 1700 Nanometern ein enormes Potenzial für die Fluoreszenz-Bildgebung von tiefer liegendem Gewebe“, erklären Robert Nißler von der ETH Zürich und seine Kollegen.
Der Haken jedoch: Bisherige Versuche, das Blaupigment bis auf Nanogröße zu zermahlen, scheiterten – der Farbstoff verlor dadurch seine Fluoreszenz. Nißler und sein Team haben nun jedoch eine Methode entwickelt, die extrem dünne Nanoblättchen aus Kupfer-Tetrasilikaten produziert, ohne ihre Leuchtkraft zu beeinträchtigen. „Das Verfahren ist nicht nur schonend und kontrollierbar, es ist auch für den industriellen Maßstab skalierbar“, erklärt Nißler.
Ägyptisch-Blau in seiner modernen Form: Forschende haben daraus einen Fluoreszenz-Farbstoff für die medizinische Bildgebung gemacht. — © Empa
Durch die Flamme gesprüht
Für die Nanoversion des Ägyptisch-Blaus nutzten die Forschenden das Verfahren der sogenannten Flammsprüh-Pyrolyse. Dafür werden die metallischen Elemente in organischen Lösungsmitteln gelöst und in eine bis zu 3000 Grad heiße Methan-Sauerstoff-Flamme gesprüht. „Dies lässt das Lösungsmittel verbrennen und bringt die Metallatome dazu, sich zu Metalloxiden zu verbinden“, erklären Nißler und seine Kollegen. Schreckt man diese Oxide bei einer bestimmten Temperatur ab, entsteht ein feines Pulver.
Um dieses Pulver in die benötigte zweidimensionale Struktur zu bringen, bestrahlten die Forschenden es mit Nahinfrarot-Laserlicht. „Dies löst innerhalb von Sekunden die Umwandlung in eine stabile 2D-Gitterstruktur aus“, berichten sie. Tests ergaben, dass die resultierenden Nanoblättchen wie erhofft im Nahinfrarot stark fluoreszieren. Durch Abwandlung der Sprühlösung und Temperaturen konnte das Team zudem verschiedene Varianten der kupferhaltigen Tetrasilikate herstellen und sie so an die gewünschte Fluoreszenz-Wellenlänge anpassen.
Flammsprühsynthese: Während das Lösungsmittel verbrennt, bilden die metallischen Vorläufersubstanzen die Metalloxid-Nanopartikel des Pigments. — © Empa
Blutgefäße und Immunzellen sichtbar gemacht
Wie gut sich die Nanovariante des jahrtausendealten Pigments für die Bildgebung eignet, testeten Nißler und seine Kollegen mit Mäusen. Dafür umhüllten sie die Nano-Blau-Pigmente mit einem transparenten Biopolymer, das die winzigen Kristalle vor den Körperflüssigkeiten schützt und sie biologisch verträglicher macht. Dann injizierten sie den Tieren den Farbstoff in die Blutbahn und bestrahlten den Schädel der Tiere mit Nahinfrarotlicht.
Das Ergebnis: „Unsere Kamera machte Fluoreszenz-Emissionen im gesamten Cortex der Tiere sichtbar – durch den intakten Schädel hindurch“, berichten Nißler und seine Kollegen. Sie konnten so die Durchblutung und selbst kleinste Blutgefäße im Gehirn sichtbar machen. In einem weiteren Versuch markierten sie Fresszellen der Mäuse mit dem Fluoreszenz-Pigment. „Nach unserem Kenntnisstand ist dies das erste Mal, dass einzelne Immunzellen in vivo, in Echtzeit und über den gesamten Cortex hinweg bildlich dargestellt wurden“, so das Team.
Nach Ansicht des Forschungsteams eröffnet diese moderne Version des jahrtausendealten Farbstoffs damit neue Möglichkeiten für die biologische und medizinische Bildgebung. „Unser Syntheseverfahren bietet einen vielversprechenden Ansatz, um maßgeschneiderte und hochfluoreszierende Fluoreszenzmarker zu erzeugen“, schreiben Nißler und sein Team.
Quelle: Robert Nißler (ETH Zürich, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, St.Gallen) et al., Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.202503159
