Struktureinheiten

Die Erfindung betrifft ein Material mit magnetisch orientierbaren nanodispersen Struktureinheiten, insbesondere mit aus Biomolekülen bestehenden Struktureinheiten. Sie betrifft weiterhin daraus bestehende Sensoren und smarte, in ihrer Funktion schaltbare Materialien (BIOMAGS).

Bisherige Systeme, die magnetisch schaltbare

Materialeigenschaften besitzen, basieren häufig auf Ferrofluiden, wie beispielsweise von Jamon et al . (2001) beschrieben, welche aufgezeigt haben, dass Ferrofluide eine reversible optische Anisotropie im magnetischen Feld zeigen, welches durch ein Silicagel fixiert werden kann. [1] Des weiteren zeigen magnetisch ausrichtbare Kohlenstoffnanoröhrchen verschiedene anisotrope

Eigenschaften, welche durch Gelatine fixiert werden können.

[2] Tonmineralblättchen in wässriger Lösung können sowohl im magnetischen wie auch im elektrischen Feld ausgerichtet werden und zeigen dabei anisotrope Doppelbrechung. Gemäß Paineau et al . (2011) kann eine derartige Ausrichtung durch die Zugabe eines Polymers fixiert werden. [3] Firestone et al . (2000) zeigten, dass hochkonzentrierten Mischungen

- l - basierend auf Phospholipiden, einem Co-Tensid und Lanthaniden magnetische Ausrichtung zeigen, die auch nach Abschalten des Magnetfeldes erhalten bleibt. [4]

Die funktionellen Bestandteile, die Bizellen, basieren auf der Selbstorganisation von Phospholipiden. Phospholipide sind amphiphile Moleküle, die sich in wässriger Lösung zu strukturierten Aggregaten zusammenlagern und ein wichtiger Bestandteil biologischer Membranen (z.B. Plasmamembranen) ausmachen. Herkömmlich erzeugte Bizellen bestehen aus einer Mischung kurz- und langkettiger Phospholipide, wobei die ebenen scheibenförmigen Deckflächen der Bizelle aus langkettigen Phospholipiden gebildet werden, und die stark gekrümmten Ränder durch kurzkettige Phospholipide realisiert werden, da diese durch die kurzen Fettsäureketten eine kegelförmige, die Ausbildung gekrümmter Strukturen bevorzugende Molekülform besitzen. Solche herkömmlichen Phospholipid Mischungen zeigen temperatur-, konzentrations- und mischverhältnisabhängig eine Vielzahl verschiedener Strukturen [ 5 ] .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Material mit magnetisch orientierbaren nanodispersen Struktureinheiten, bestehend aus Biomolekülen zu erzeugen, das auf ein externes Magnetfeld durch Strukturveränderung reagiert, welche temperaturabhängig fixiert oder auch rückgängig gemacht werden kann. Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Strukturveränderung wird dabei durch Orientierung nanodisperser Strukturelemente durch die Einwirkung eines Magnetfeldes realisiert. Die damit magnetisch schaltbar fixierbaren bzw. thermisch reversierbaren anisotropen Strukturen lassen besondere Materialeigenschaften generieren, welche sich aus der genannten Strukturanisotropie ableiten. Insbesondere soll ein Material resp. Produkt mit magnetisch schaltbaren optischen Eigenschaften erzeugbar sein, welches bei Temperaturabsenkung unter eine einstellbare kritische Temperatur bei nachfolgender Abschaltung des Magnetfeldes erhalten bleiben, sowie bei Erhöhung der Temperatur über diese kritische Temperatur bei abgeschaltetem Magnetfeld wieder vollständig aufgehoben werden können.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Sensor zu erzeugen, der eine Temperaturüberschreitung oder Temperaturveränderung über einen festgesetzten Grenzwert hinsichtlich Mass der Überschreitung, bzw. Dauer einer solchen detektieren kann.

Hierfür wird erfindungsgemäss eine durch ein starkes Magnetfeld hinsichtlich Ihrer nanodispersen Mikrostruktur bei überkritischer Temperatur (fluider Aggregat zustand der kontinuierlichen Materialphase) vororientierte Probe des erfindungsgemässen Materials unter eine Temperatur abgekühlt, welche die kontinuierlich Phase gelartig verfestigen (Sol-Gel Übergang) und somit die magnetisch orientierten Strukturelemente in ihrer anisotropen Ausrichtung auch nach Abschalten des orientierenden Magnetfeldes fixiert verbleiben lässt .

Zur Lösung der Aufgabe werden erfindungsgemäss aus selbstassemblierenden resp. selbstorganisiert strukturierenden amphiphilen Biomolekülen aufgebaute, definiert magnetisch orientierbare Scheiben im Nanometer- Durchmesserbereich, sogenannte Bizellen, erzeugt und in eine thermoreversible gelierende Matrixphase eingebettet.

Das Material resp. Produkt ist ein mikrostrukturiertes Biocomposite-Produkt mit magnetisch schaltbaren

Eigenschaften, das mikrostrukturierte, aus Biomolekülen konstituierte plättchen- bis zylinderförmige, nanodisperse Strukturelemente aufweist, welche in magnetischen Feldern definiert ausgerichtet werden können und in eine kontinuierliche Matrix derart eingebettet sind, dass die Ausrichtung dieser dispersen Strukturelemente im Magnetfeld wahlweise definiert in Richtung der Magnetfeldlinien oder senkrecht zu diesen erfolgt. Als Folge der resultierenden Strukturanisotropie resultieren ausgeprägt richtungsabhängige physikalische und/oder physikochemische Eigenschaften, welche nach Abschaltung des Magnetfeldes weitestgehend vollständig erhalten bleiben.

Das Material behält die Orientierung der unter Wirkung eines Magnetfeldes definiert orientierbaren plättchen- bis zylinderförmigen nanodispersen Strukturelemente nach Abschaltung des Magnetfeldes und Einstellung der Temperatur unter einem bestimmten ersten kritischen Wert Tic bei und bei Erhöhung der Temperatur über einen zweiten kritischen Temperaturwert T2c mit Tic < T2c wird sie vollständig aufgehoben.

Die Biomoleküle, aus welchen die plättchen- bis zylinderförmigen in Magnetfeldern orientierbaren nanodispersen Strukturelemente bestehen, sind bestimmte Phospholipide, Phospholipid-Mischungen, bevorzugt Phospholipid-Mischungen mit Steroiden oder deren Derivate, oder anderen selbstassemblierenden, lamellare kolloidale Strukturen ausbildende oder in derartige Strukturen integrierbare Moleküle aus den chemischen Gruppierungen: (i) Tenside, (ii) Co-polymere (iii) Block-Co-Polymere oder (iv) andere amphiphile biokompatible Moleküle.

Die plättchen- bis zylinderförmigen in Magnetfeldern orientierbaren nanodispersen Strukturelemente sind durch Dotierung mit bestimmten Lanthanide-Ionen (seltene Erden Elemente) bzw. deren Bindung an die hydrophilen Kopfgruppen der die magnetisch orientierbaren Strukturelemente bildenden Biomoleküle versehen. Durch die Selbstassemblierung der derart modifizierten Biomoleküle weisen sie eine gezielte Beeinflussung der magnetischen Suszeptibilitäts-Anisotropie hinsichtlich deren Betrag und Vorzeichen auf und können damit einhergehend eine definierte Ausrichtung in Magnetfeldern in Richtung der Magnetfeldlinien oder senkrecht zu diesen bewirken . Zur Einstellung einer definierten Ausrichtbarkeit der Plättchen bis zylinderförmigen nanodispersen Strukturelemente erfolgt in Magnetfeldern (i) in Richtung der Magnetfeldlinien oder (ii) senkrecht zu diesen die Dotierung der diese magnetisch orientierbaren Strukturelemente bildenden Biomoleküle mit den Lanthaniden-Elementen Thulium (für Fall (i)) oder Dysprosium (für Fall (ii)) derart, dass 5-50% der hydrophilen Kopfgruppen der die Strukturelemente bildenden Biomoleküle mit den entsprechenden Lanthanide-Ionen dotiert sind.

Durch die Abstimmung des Mischungsverhältnisses von verschiedenen Fraktionen selbstassemblierender , amphiphiler Moleküle, welche jeweils unterschiedliche räumliche Dimensionen-Verhältnisse von (i) hydrophilen Kopfgruppen, gegebenenfalls erweitert um an diese gebundene-Ionen inklusive molekularer (Chelator-) Verbindungsbrücken zwischen hydrophilen Kopfgruppen und Lanthanid-Ionen, sowie (ii) hydrophoben Schwanzgruppen aufweisen, werden diese Molekülmischungen ((i) + (ii)) durch Selbstassemblierung verbundene Strukturdomänen mit flacher Bilayer Struktur und gekrümmter Bilayer Struktur derart kombiniert ausgebildet, dass sogenannte Bizellen, d. h. Scheiben mit gerundeten Kantenflächen gebildet werden, wobei der resultierende Durchmesser derartiger Nanoscheiben 20 bis 250 nm, bevorzugt 50-120 nm bei einer Scheibendicke von 3-35 nm, bevorzugt 3-15 nm, beträgt . Die magnetisch orientierbaren nanodispersen plättchen- bis zylinderförmigen Strukturelemente auf Basis von Biomolekül- Mischungen der Phospholipide des Typs (I) DMPC (1,2- Dimyristoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholin) , und des Typs (II) DMPE-DTPA ( 1 , 2-Dimyristoyl-sn-Glycero-3-Phosphoethanolamin- Diethylentriaminpentaessigsäure ) mit an den Chelator- Molekülteil von (II) (DTPA) komplexierten Lanthanid-Ionen, durch Selbstassemblierung gebildet.

Die magnetisch orientierbaren nanodispersen plättchen- bis zylinderförmigen Strukturelemente auf Basis von Biomolekül- Mischungen der Phospholipide des Typs (I) DMPC (1,2- Dimyristoyl-sn-Glycero-3-Phos-phocholin) , und des Typs (II) DMPE-DTPA (1, 2-Dimyristoyl-sn-Glycero-3-Phosphoethanolamin- Diethylentriaminpentaessigsäure ) mit an den Chelator- Molekülteil von (II) (DTPA) komplexierten Lanthanid-Ionen sowie zusätzlich (III) Cholesterin, durch Selbstassemblierung gebildet, wobei das Cholesterin in die flachen, lamellaren Deckflächenbereiche der gebildeten plättchen- bis zylinderförmigen nanodispersen Strukturelemente (Bizellen) eingebaut ist, was deren strukturelle Stabilität verbessert. Weiterhin sind die magnetisch orientierbaren nanodispersen plättchen- bis zylinderförmigen Strukturelemente auf Basis von Biomolekül-Mischungen der Phospholipide des Typs (I) DMPC ( 1 , 2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholin) , und des Typs (II) DMPE-DTPA ( 1 , 2-Dimyristoyl-sn-glycero-3- phosphoethanolamin-Diethylentriaminpentaessigsäure ) mit an den Chelator-Molekülteil von (II) (DTPA) komplexierten Lanthanid-Ionen sowie zusätzlich (III) einem Steroid und /oder (IV) einem Steroid-Derivat von der Form Steroid-Linker- Chelator wie zum Beispiel: 2, 2', 2' ' , 2 ' ' '-(((((IS) -1-Carboxy- 5- ( ( ( ( (8S, 9S, 10R, 13R, 14S, 17R) -10, 13-dimethyl-l 7- ( (R) -6- methylheptan-2-yl) -2, 3, 4,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17- tetradecahydro-lH-cyclopenta [a] phenanthren-3- yl ) oxy) carbonyl ) amino ) pentyl ) azanediyl ) bis (ethane-2 , 1- diyl )) bis ( azanetriyl )) tetraessigsäure (kurz: Chol-Lys-DTPA) mit an den Molekülteil von (IV) (DTPA) komplexierten Lanthanid-Ionen (bevorzugt Tm3+ oder Dy3+) , durch Selbstassemblierung gebildet, wobei (IV) (Chol-Lys-DTPA-Tm3+ bzw. entsprechend Chol-Lys-DTPA-Dy3+ in die flachen, lamellaren Deckflächenbereiche der gebildeten plättchen- bis zylinderförmigen nanodispersen Strukturelemente (Bizellen) eingebaut ist, was deren strukturelle Stabilität verbessert und gleichzeitig die Belegungsdichte der flachen, lamellaren Deckflächenbereiche mit Lanthanid-Ionen erhöht.

Die magnetisch orientierbaren nanodispersen plättchen- bis zylinderförmigen Strukturelemente auf Basis von Biomolekül- Mischungen der Phospholipide des Typs (I) DMPC (1,2- Dimyristoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholin) , und des Typs (II) DMPE-DTPA (1, 2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamin- Diethylentriaminpentaessigsäure ) mit an den Chelator- Molekülteil von (II) (DTPA) komplexierten Lanthanid-Ionen sowie III) Cholesterin und oder (IV) Cholesterin mit angebundenem Lysin-DTPA Chelator Komplex (kurz: Chol-Lys- DTPA) mit an den Chelator-Molekülteil von (IV) (DTPA) komplexierten Lanthanid-Ionen (bevorzugt Tm3+ oder Dy3+) , durch Selbstassemblierung gebildet, wobei das molare Mischungsverhältnis von (I) : (II) : (III und/oder IV) ; (10-20) : (1-10) : (0-10), bevorzugt (12-18) : ((4-6) : (3-5), weitergehend bevorzugt 16:5:4 beträgt.

Die magnetisch orientierbaren nanodispersen plättchen- bis zylinderförmigen Strukturelemente auf Basis von Biomolekül- Mischungen der Phospholipide des Typs (I) DPPC (1,2- Dipalmitoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholin) , und des Typs (II) DPPE-DTPA ( 1 , 2-Dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamin- Diethylentriaminpentaessigsäure ) mit an den Chelator- Molekülteil von (II) (DTPA) komplexierten Lanthanid-Ionen sowie III) Cholesterin und oder (IV) Cholesterin mit angebundenem Lysin-DTPA Chelator Komplex (kurz: Chol-Lys- DTPA) mit an den Chelator-Molekülteil von (II) (DTPA) komplexierten Lanthanid-Ionen (bevorzugt Tm3+ oder Dy3+) , durch Selbstassemblierung gebildet, wobei das molare Mischungsverhältnis (I) : (II) : (III und/oder IV) von (10-20) : (1-10) : (0-10), bevorzugt (12-18) : ((4-6) : (3-5), weitergehend bevorzugt 16:5:4 vorliegt.

Die magnetisch orientierbaren nanodispersen plättchen- bis zylinderförmigen Strukturelemente auf Basis von Mischungen von (I) reinen Phospholipiden und (II) Chelator-Lanthanid Komplexen sind verbunden mit derselben Art von Phospholipid durch Selbstassemblierung gebildet, wobei das molare Mischungsverhältnis (I) : (II) von (10-20) : (1-10), bevorzugt (12-18) : (4-6), weitergehend bevorzugt 4:1 vorliegt. Die kontinuierliche Matrix, in welche die magnetisch orientierbaren Mikrostrukturelemente eingebettet sind, besitzt eine Netzwerkstruktur, welche durch eine entsprechend definierte Änderung der physikalischen Randbedingungen wie Temperatur und/oder Druck und/oder pH und/oder Ionenkonzentration eine reversible Sol-Gel-Umwandlung vollzieht .

Die kontinuierliche Matrix, in welche die magnetisch orientierbaren Mikrostrukturelemente eingebettet sind, besitzt eine Netzwerkstruktur, welche bei Verfestigung durch Gelbildung eine Verstärkung der Ausrichtbarkeit der magnetischen nanodispersen Strukturelemente im Magnetfeld z.B. durch Stapelung dieser Strukturelemente herbeiführt. Die Volumenkonzentration der magnetisch orientierbaren nanodispersen Strukturelemente in der umgebenden Matrix, in welche diese Strukturelemente eingebettet sind, beträgt zwischen 0.1-25%, bevorzugt zwischen 0.2-10%, weitergehend bevorzugt zwischen 0.5-5%.

Die kontinuierliche Matrix liegt mit in dieser homogen verteilt eingebetteten magnetisch orientierbaren

Mikrostrukturelementen zu definierten Körpern oder Schichten geformt bzw. in Kombinationen solcher vor.

Die kontinuierliche Matrix liegt mit in dieser homogen verteilt eingebetteten magnetisch orientierbaren Mikrostrukturelementen zu definierten Körpern oder Schichten geformt in verfestigter Form und mit in einer Vor zugsrichtung orientierten nanodispersen Strukturelementen vor. Die kontinuierliche Matrix liegt mit in dieser homogen verteilt eingebetteten magnetisch orientierbaren

Mikrostrukturelementen zu definierten Körpern oder Schichten geformt in verfestigter Form und mit in zwei zueinander senkrechten Vor zugsrichtungen orientierten nanodispersen Strukturelementen vor.

Die kontinuierliche Matrix liegt mit in dieser homogen verteilt eingebetteten magnetisch orientierbaren

Mikrostrukturelementen zu definierten Körpern oder Schichten geformt in verfestigter Form und mit in einer Vorzugsrichtung orientierten nanodispersen Strukturelementen vor und weisen entsprechend Körpern bzw. Schichten ein anisotropes Lichtdurchgangs- bzw. Lichtbrechungsverhalten auf.

Die kontinuierliche Matrix, die mit in dieser homogen verteilt eingebetteten magnetisch orientierbaren

Mikrostrukturelementen zu definierten Körpern oder Schichten geformt in verfestigter Form und mit in einer Vorzugsrichtung orientierten nanodispersen Strukturelementen vorliegt, und die entsprechenden Körper bzw. Schichten ein anisotropes Lichtdurchgangs- bzw. Lichtbrechungsverhalten aufweisen, welches sich bei Temperaturerhöhung über einen über die Komposition der kontinuierlichen Matrix in weiten Grenzen einstellbaren kritischen Temperaturwert bis zur Auslöschung des anisotropen Lichtdurchgangs- bzw. Lichtbrechungsverhaltens einer temperaturabhängigen Kinetik folgend rückentwickelt und damit als Sensor-/ Indikator-Basis für einen Temperatur-Zeit-Integrator einsetzbar ist.

- ll - Die kontinuierliche Matrix liegt mit in dieser homogen verteilt eingebetteten magnetisch orientierbaren

Mikrostrukturelementen zu definierten Körpern oder Schichten geformt in verfestigter Form und mit in einer Vorzugsrichtung orientierten nanodispersen Strukturelementen vor, wobei diese entsprechenden Körper bzw. Schichten ein anisotropes Lichtdurchgangs- bzw. Lichtbrechungsverhalten besitzen und als Zeit-Temperatur integrierende Sensoren/ Indikatoren in Verpackungen und/oder Oberflächen von temperatur-sensitiven Produkten integriert sind.

Die kontinuierliche Matrix liegt mit in dieser homogen verteilt eingebetteten magnetisch orientierbaren

Mikrostrukturelementen zu definierten Körpern oder Schichten geformt in verfestigter Form und mit in einer Vorzugsrichtung orientierten nanodispersen Strukturelementen vor, und die entsprechenden Körper bzw. Schichten besitzen ein anisotropes (richtungsabhängiges) Durchgangsverhalten für den Stoff- und Wärmetransport .

Die kontinuierliche Matrix ist mit in dieser homogen verteilt eingebetteten magnetisch orientierbaren

Mikrostrukturelementen zu definierten Körpern oder Schichten geformt in verfestigter Form sowie mit in einer Vorzugsrichtung orientierten nanodispersen Strukturelementen und daraus resultierendem anisotropen (richtungsabhängigen) Durchgangsverhalten für Stofftransport als Separations- /Filterelemente bzw. als Komponenten solcher ausgeführt, wobei die Separat ionseigenschaften über die Konzentration der orientierbaren Strukturelemente und insbesondere deren einstellbaren Orientierungsgrad vorgegeben sind.

Die kontinuierliche Matrix liegt mit in dieser homogen verteilt eingebetteten magnetisch orientierbaren Mikrostrukturelementen ohne deren vorherige Ausrichtung zu definierten Hüll- oder Schut z-/Barriereschichten um verkapsulierte funktionelle Komponenten in Mikrokapseln geformt unter Raumtemperaturbedingungen in verfestigter Form, vor. Bei humanphysiologisch relevanter Applikation erfolgt unter Einwirkung der Körpertemperatur von ca. 37°C eine Erweichung/Verflüssigung dieser Schichten, wobei unter nachfolgender Anlegung eines äusseren Magnetfeldes und resultierender Ausrichtung der magnetisch orientierbaren Strukturelemente eine gezielt einstellbare Erhöhung der Durchlässigkeit der Hüll- oder Schut z-/Barriereschichten für die Dauer der Magnetfeldeinwirkung realisiert und nach Abschalten des Magnetfeldes in Folge des thermisch induzierten Verlustes der Strukturelemente-Orientierung wieder auf den deutlich erniedrigten Ausgangswert reduziert wird.

Eine weitergehende Beschreibung erfolgt anhand einer Zeichnung. In der Zeichnung zeigen die Fig. 1: einen Sensor bzw. Sensor-Array Aufbau und

Eigenschaften, Fig. 2: eine schematische Darstellung der Funktionsweise der Erfindung,

Fig. 3: eine schematische Darstellung einer Bizelle aus DMPC und DMPE-DTPA mit komplexierten Lanthanid-Ionen (oben) [6], optimiert durch den Einbau von

Cholesterin (Mitte) [8] und erfindungsgemäß optimiert durch den Einbau von Chol-Lys-DTPA mit komplexierten Lanthanidionen (unten) ,

Fig. 4: anisotrope optische Eigenschaften der Bizellen

(DMPC : Cholesterin : DMPE-DTPA: Tm3+ oder Dy3+,

16:4:5:5) gemessen anhand ihrer Doppelbrechung, je höher das Magnetfeld, desto besser ist die Ausrichtung der Bizellen und desto stärker ändert sich die Doppelbrechung. [9],

Fig. 5: Ausrichtungsfaktor extrahiert aus SANS Messungen von

Bizellen ohne Gelatine (Sterne) und Bizellen in Gelatine eingebettet (Kreise) , wobei das Abkühlen unter Magnetfeld erfolgte (geschlossene Kreise) , das Aufheizen nach Abschalten des Magnetfeldes (offene Kreise) .

Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, sind diese scheibenförmigen Bizellen im flüssigen Zustand der umgebenden Matrixphase frei beweglich und durch die erfindungsgemäße Zusammensetzung in einem Magnetfeld orientierbar. Durch Abkühlen unter den Gelierpunkt werden die Scheiben durch die Gelmatrix fixiert und die Orientierung der Scheiben und damit die anisotropen Materialeigenschaften bleiben auch nach Ausschaltung des Magnetfeldes erhalten. Durch Erwärmung über den Schmelzpunkt des thermoreversiblen Gels kann der isotrope Grundzustand wieder erreicht werden.

Wird ein erfindungsgemässer Sensor aus mindestens zwei Schichten/Kompartimenten zusammengesetzt, in welchen die nanodispersen Struktureinheiten in unterschiedlicher Richtung magnetisch vororientiert wurden, so ist dieser optisch messbare anisotrope Zustand nicht durch eine erneute magnetische Behandlung bei erhöhter Temperatur und nachfolgendem Abkühlen im Magnetfeld wiederherstellbar. Somit ist eine fälschungssichere Detektion einer von einem mit dem Sensor versehenen Produkt erfahrenen unerwünschten Erwärmung über einen kritischen Temperaturwert möglich.

Die Einstellung einer derartigen kritischen Temperatur erfolgt erfindungsgemäss mittels Einstellung der Gelbildungstemperatur der kontinuierlichen Phase, in welche die nanodispersen magnetisch orientierbaren Strukturelemente eingebettet sind. Die Kombination einer Serie derartiger Sensoren mit für unterschiedliche Geltemperaturen eingestellten kontinuierlichen Phasen erlaubt die erfindungsgemässe Herstellung eines Sensorarrays , welches eine weiter-gehend detaillierte Temperatur-Geschichte aufzeichnen lässt. Eine zusätzliche Berücksichtigung der viskositätsabhängigen Diffusionskoeffizienten für unterschiedliche kontinuierliche, gelbildende Phasen, welche in ihrem aufgeschmolzenen fluiden Zustand unterschiedliche Viskositäten besitzen, erlaubt erfindungsgemäss eine zusätzliche Abschätzung der Verweilzeit zumindest bei höchster erfahrener Temperatur, welche durch das entsprechende Sensorelement im vorab beschriebenen Sensor- Array angezeigt wird (siehe Fig. 1) .

Die erfindungsgemäßen Bizellen hingegen basieren, abweichend vom Stand der Technik auf der Verwendung nur eines Phospholipids (z.B.: DMPC = 1 , 2-Dimyristoyl-sn-glycero-3- phosphocholin) mit nur einer bestimmten

Fettsäurenkettenlänge, die Eignung damit auch die gekrümmten Randstrukturen der plättchenförmigen Bizelle auszubilden wird durch Vergrösserung der hydrophilen Kopfgruppe mittels Adaption eines Chelator-Moleküls und eines damit verbundenen hinsichtlich seiner magnetischen Funktion gezielt ausgewählten Ions aus der Elementen-Gruppe der Lanthaniden (seltene Erden) erreicht, wie in Fig. 3 (oben) schematisch dargestellt .

Die wichtigsten Schritte in der Herstellung solcher Bizellen beinhalten das Hydrat isieren eines vorgeformten Lipidfilmes, mehrere Gefrier- und Schmelzzyklen, sowie das wiederholte Extrudieren durch Membranen mit Porengrössen von 200 nm sowie anschließend durch Membranen mit 100 nm großen Poren.

Die Grundlage für eine magnetische Orientierung stellt die anisotrope magnetische Suszeptibilität der Phospholipide dar, welche zu einer Vor zugsausrichtung eines Molekülverbandes derselben im Magnetfeld führt. Der magnetischen Orientierungsenergie ist die thermische Fluktuationsenergie (Brownsche molekulare Bewegungsenergie) entgegengesetzt, welche für kleinere Phospholipid Aggregate normalerweise überwiegt .

Die magnetische Orientierung der vorstrukturierten Phospholipidverbände kann jedoch durch den Einbau von paramagnetischen Lanthanid-Ionen in die hydrophilen Kopfgruppen derselben erhöht werden. Besonders geeignet haben sich dabei die Elemente Thulium Tm3+ und Dysprosium Dy3+ erwiesen, die an die hydrophilen Kopfgruppen der Phospholipide mit einer komplexbildenden (Chelator-) Gruppe (hier: DTPA = Diethylentriaminpentaessigsäure ) angekoppelt werden [7] . In der hier verwendeten Mischung sind daher die DMPE-DTPA/Lanthanid-Ion Komplexe einerseits für das Abdecken der stark gekrümmten Randbereiche der Bizellen durch ihre grosse Kopfgruppe verantwortlich, anderseits erhöht der Anteil der DMPE-DTPA/Lanthanid Komplexe in den planaren Deckflächen der Bizelle deren magnetische Orientierbarkeit [6] .

Der Anteil dieser Komplexe in der Fläche kann durch die Zugabe von Cholesterin erhöht werden, was die Aggregatzahl und die magnetische Ausrichtbarkeit signifikant erhöht (Fig. 3, Mitte) [8] . In der erfindungsgemäßen Optimierung der Bizellen-Struktur wurde ferner ein Molekül-Komplex eingebaut, bestehend aus einer Cholesteryl-Einheit und einem Chelator, welche durch einen Linker, zum Beispiel Lysin, verbunden sind. Die vorteilhaften „Einbau-Funktion" dieses Moleküls (Chol-Lys-DTPA) als optimal sterisch und lipid-chemisch kompatiblen Anker für Lanthanid-Ion in der Membran wurde verifiziert. In Folge der dadurch weiter erhöhten Anzahl an Lanthanid-Ionen in den ebenen Deckflächen der Bizellen kann die magnetische Orientierbarkeit deutlich weiter verbessert werden (Fig. 3, unten) .

Durch den Einsatz unterschiedlicher Lanthanid-Iionen wird die Orientierungsrichtung der Bizellen-Scheiben festgelegt. Thulium-Ionen (Tm3+) übertragen eine große positive magnetische Suszeptibilitäts-Anisotropie auf die

Phospholipidmembran und führt dadurch zu einer Ausrichtung der Bizellennormale parallel zur Magnetfeldrichtung, wie das in Fig. 4 schematisch dargestellt ist. Dysprosium-Ionen (Dy3+) andererseits erzeugen eine große negative magnetische Suszeptibilitäts-Anisotropie, was zu einer senkrechten Ausrichtung der Bizellennormale zur Magnetfeldrichtung führt. Die orientierten Bizeilenstrukturen zeigen anisotrope optische Eigenschaften, messbar anhand der durch sie erzeugten Doppelbrechung. Fig. 4 zeigt die gemessene Doppelbrechung und den daraus berechneten Ordnungsparameter, welcher ein Maß für die magnetische Ausrichtung in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke darstellt. Die Messungen zeigen ferner eindeutig die unterschiedliche Orientierungsrichtung der mit Tm3+ oder Dy3+ dotierten Bizellen, was sich im unterschiedlichen Vorzeichen der Doppelbrechungsintensität ausdrückt . Die Orientierung der Bizellen wird erfindungsgemäß durch eine Verfestigung der umgebenden Gelmatrix fixiert.

Experimentelle Untersuchungen wurden beispielhaft mit Gelatine als Beispiel für ein thermoreversibles Gel durchgeführt. Da die Bizellen nur im flüssigen Zustand der Gelatine orientierbar sind, wurde zur erfindungsgemässen Abstimmung der Gelbildungstemperatur der kontinuierlichen Gelphase (hier: Gelatine) und der Kristallisationstemperatur der in den Bizellen eingesetzten Fettsäuren (bzw. Lipidschwänze der Phopholipide) , 1 , 2-Dipalmitoyl-sn-glycero- 3-phosphocholin (DPPC) anstelle DMPC in der zur Bizellenbildung verwendeten Molekülmischung erfolgreich eingesetzt, sowie auch das zur Lanthanid-Ionen-Komplexierung verwendete Chelatormolekül angepasst (DPPE-DTPA statt DMPE- DTPA) , wodurch die erhöhte Ausrichtbarkeit im relevanten Temperaturbereich (hier zwischen 30 und 40°C) erreicht wurde. Die erfindungsgemäß entsprechend optimierten Bizellen wurden in die Gelatinematrix eingebettet und die strukturelle Integrität der Bizellen in der Matrix konnte mit Neutronenstreuexperimenten klar nachgewiesen werden. Mit Hilfe von Neutronenkleinwinkelstreuung innerhalb eines Magnetfeldes, kann ferner ein Ausrichtungsfaktor Af bestimmt werden, der ein eindeutiges quantitatives Mass für die Ausprägung der magnetischen Ausrichtung der Bizellen darstellt. Je grösser der Betrag dieses Ausrichtungsfaktors, desto besser ist die Ausrichtung, ein negatives Vorzeichen steht dabei für eine parallele Orientierung, wie das für eine Probe mit Tm3+ erwartet wird. Fig. 4 zeigt den Ausrichtungsfaktor in Abhängigkeit der Temperatur für DPPC/Cholesterin/DPPE-DTPA- Tm3+ (Molares Verhältnis 16:4:5:5) ohne Gelatine, gemessen in einem Magnetfeld von 8 T. Die Ausrichtbarkeit nimmt dabei mit abnehmender Temperatur zu, verursacht durch eine erhöhte molekulare Ordnung bei tiefen Temperaturen. Überraschenderweise wurde durch Zugabe von Gelatine eine verstärkte Ausrichtbarkeit der Bizellen gefunden. Dies kann durch den Verarmungseffekt („deplet ion" ) der Gelatinemoleküle erklärt werden, welcher zu einer Verdichtung der Bizellen und dadurch zu einer Stapelung der Scheiben führt. Die magnetische Orientierungsenergie der Scheiben wird dabei aufsummiert, was zu der beobachteten erhöhten Ausrichtbarkeit der Bizellen in der Gelatine führt. Anhand der Fig. 5 wird außerdem deutlich, dass ab ca. 20°C zu tieferen Temperaturen hin der Ausrichtungsfaktor konstant bleibt. Nach Abschalten des Magnetfeldes bei Temperaturen unterhalb des Gelpunktes der Gelatine bleibt der Ausrichtungsfaktor ebenfalls konstant bestehen. Dies zeigt, dass die Orientierung der Bizellen im festen Zustand der Gelatine komplett fixiert werden kann. Wird die Probe ohne Magnetfeld über den Schmelzpunkt der Gelatine (ca. 30°C) erhitzt, wird der isotrope Grundzustand (Af = 0) wieder hergestellt .

Die resultierenden Gelatinewürfel weisen anisotrope Eigenschaften gegenüber Licht auch außerhalb des Magnetfeldes auf, was durch Doppelbrechungsmessungen mit Laserlicht eindeutig gezeigt werden kann.

Literaturverzeichnis

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