Der DECHEMA-Preis und das Heisenberg-Programm haben in diesem Jahr Dr. Felix Löffler vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung für seinen Multimaterial-Nano-3D-Drucker geehrt. Im Interview erklärt der Preisträger, wie seine Erfindung funktioniert und welche Potenziale sie für die chemische Verfahrenstechnik hat.

DECHEMA-Preis und Heisenberg-Programm würdigen Dr. Felix Löffler

Der Multimaterial-Nano-3D-Drucker ermöglicht einen Durchbruch in der Parallelsynthese. Dr. Felix Löffler ersetzt die chemische Synthese in Kolben und Bechern durch feste Polymertinten. Ein Laserstrahl überträgt präzise nanometrische Mengen chemischer Verbindungen auf eine Akzeptoroberfläche, auf der Tausende verschiedener Reaktionen parallel ablaufen können. Der DECHEMA-Preis und das Heisenberg-Programm würdigen das nachgewiesene Potenzial seiner Erfindung für die Grundlagen- und angewandte Forschung in der chemischen Technik, der Biotechnologie und den Materialwissenschaften sowie das Potenzial für weitere interdisziplinäre Anwendungen.

Die Forschung von Dr. Felix Löffler ist mit zwei hochrangigen Preisen ausgezeichnet worden. Die gemeinnützige Deutsche Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie verlieh ihm den mit 20.000 Euro dotierten DECHEMA-Preis. Außerdem wurde er in das Heisenberg-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft aufgenommen, um seine Karriere als Hochschullehrer zu starten. Seit 2017 ist der studierte Physiker am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung tätig, wo er seine kreativen Visionen in die chemische Verfahrenstechnik, Biotechnologie und Materialwissenschaften einbringt.

Dr. Löffler, vorab erst einmal herzlichen Glückwunsch. Ihr viel beachteter Durchbruch ist ein 3D-Multimaterial-Nanodrucker. Was ist das genau?

Der 3D-Multimaterial-Nanodrucker basiert auf einer innovativen Technologie, die es uns ermöglicht, komplexe chemische Verbindungen im Nanobereich dreidimensional zusammenzufügen – milliardenfach kleiner als ein menschliches Haar. Er funktioniert ähnlich wie eine Schreibmaschine. Statt mit einem Metallstift Tinte von einem Farbband auf Papier zu drucken, überträgt ein Laser polymere Tintenpunkte von einer Donorschicht auf eine Akzeptoroberfläche. Diese winzigen festen Tintenpunkte können verschiedene chemische Bausteine enthalten. Diese Methode vermeidet den üblichen Einsatz von Lösungsmitteln, und da das feste Polymer die empfindlichen Chemikalien vor der Umwelt schützt, werden Probleme wie Verdunstung oder Verschütten auch vermieden. Ein Laserstrahl überträgt dann das Polymer in einem gewünschten Muster aus verschiedenen Spendern, die jeweils einen anderen Baustein enthalten, auf eine Zieloberfläche. Anschließend wird das Polymermuster kurz aufgeschmolzen, so dass die Bausteine auf der Oberfläche miteinander reagieren und neue Moleküle bilden können – wie Legosteine, die sich zu einem komplexen Gebilde zusammensetzen.

Was macht die Synthese mit dem Nanodrucker so bahnbrechend?

Ohne chemische Reaktionen würde in und um uns herum nichts passieren. Unser Körper und alle Lebewesen funktionieren dank dieser Reaktionen, genauso wie die Herstellung von Materialien. Mit dem Nanodrucker können wir chemische Reaktionen mit weniger Ausgangsmolekülen, sehr schnell und viel kostengünstiger auslösen. Noch spannender ist, dass wir die Hitze des Lasers für die Synthese während des Druckens nutzen können, was eine präzise, schnelle und skalierbare Alternative zur herkömmlichen chemischen Synthese in Kolben und Bechern darstellt. Forschende werden Hunderttausende von Reaktionen gleichzeitig durchführen können.

Können Sie uns einige Beispiele nennen, wie Ihr Nanodrucker zu einem wertvollen Werkzeug in jedem Labor werden kann?

So wie wir in Büchern blättern, um Antworten auf viele Fragen zu finden, durchsuchen Naturwissenschaftlerinnen und Naturwissenschaftler chemische Bibliotheken, die aus vielen Proben bestehen. Ganz gleich, ob sie Zellfunktionen untersuchen, nach neuen Materialien suchen oder Bausteine für künftige Medikamente und Impfstoffe entwickeln – Und das alles im Miniaturformat auf kleinster Fläche. Stellen Sie sich vor, Forschende verschiedener Disziplinen suchen wie Köche nach der perfekten Kombination von Textur, Geschmack und Geruch für ihre Reaktionen. Mit dem Nanodrucker haben sie Zugang zu Tausenden von Regalen mit vorgemischten Zutaten, die sich alle auf einem Objektträger befinden, der unter ein Mikroskop passt. Diese Zutaten zu kombinieren und ihre Eigenschaften zu testen, bis das perfekte Rezept gefunden ist, wird schneller und billiger. Und sobald ein geeigneter Molekülprototyp gefunden ist, kann er effizient reproduziert werden. Zum Vergleich: Die herkömmliche Synthese einer einzelnen Verbindung oder eines einzigen Materials in einem Labor kann mehrere Wochen dauern. Mit dem Nanodrucker könnten wir in der gleichen Zeit Millionen davon herstellen.

Sie arbeiten in Peter Seebergers Abteilung für Biomolekulare Systeme, die sich auf die Suche nach neuen Impfstoffen und Medikamenten spezialisiert. Wie trägt Ihr Nanodrucker dazu bei?

In unserer Abteilung synthetisieren wir komplexe Zucker als Bausteine für mögliche zukünftige Impfstoffe und Medikamente. Dies ist jedoch ein mühsamer Prozess, zumal diese Zucker in ihrer Struktur unglaublich vielfältig sind. Der Nanodrucker kann 100.000 Synthesen auf einem einzigen winzigen Glasobjektträger durchführen und so den Weg vom Labor bis zur klinischen Erprobung verkürzen. Wir haben unsere Technologie bereits an die Firma PEPperPRINT weitergegeben, die damit Proteinfragment-Arrays herstellt.

Gibt es eine andere spezifische Anwendung, an der Sie gearbeitet haben und die Sie uns nennen möchten?

Bisher haben wir über Anwendungen in der Materialwissenschaft und die Erforschung möglicher Impfstoffe gesprochen. Der Nanodrucker bietet aber auch eine Lösung für das weit verbreitete Problem der Produktfälschung. Wir haben unser “Synthese-als-Druck”-Verfahren auf den einfachen Glukosezucker angewendet und fluoreszierende Muster erzeugt, die praktisch nicht reproduzierbar sind. Während der Zucker karamellisierte, haben wir die Laserhitze fein abgestimmt, um die Fluoreszenzfarbe des gedruckten Musters zu steuern und sogar chaotische zufällige Mikro- und Nanomuster zu erzeugen. Die Verwendung von Karamell als Fälschungsschutz macht diese Technologie nicht nur kostengünstig, sondern auch umweltfreundlich. Die Muster sind sogar so zufällig, dass sie einzigartig und nicht reproduzierbar sind. Stellen Sie sich bunte 3D-QR-Codes vor, die mit speziellen Techniken gelesen, aber nicht gefälscht werden können. So können Sie sicher sein, dass Ihre Medikamente alle relevanten Sicherheitskontrollen durchlaufen haben, bevor sie in der Apotheke ankommen.

Und was ist für die Zukunft geplant?

Ich denke, es gibt noch viel zu erforschen mit dem Nanodrucker. Mit ein wenig Kreativität kann sein Mechanismus genutzt werden, um chemische Bausteine auf unendlich viele Arten zu arrangieren, um Bedürfnisse sowohl in der Grundlagenforschung als auch in eher angewandten Bereichen zu erfüllen. Eine Idee ist zum Beispiel, in der vierten Dimension – der Zeit – zu drucken, um so genannte reaktive weiche Materialien herzustellen. Diese Materialien können ihre Form, Farbe und Steifigkeit als Reaktion auf äußere Reize anpassen und in vielen Bereichen, von der Biomedizin bis zur Robotik, eingesetzt werden. Eine weitere Anwendung, an der ich arbeiten möchte, ist das Drucken von anorganischen Nanomaterialien. Indem wir beispielsweise magnetische Partikel in gedruckte Strukturen einbauen, könnten wir Nanoroboter entwickeln, die in wechselnden Umgebungen funktionieren. In den kommenden Jahren werde ich mich bemühen, lebensähnliche künstliche oder biohybride Systeme zu konstruieren.

Welche Bedeutung haben der DECHEMA-Preis und das Heisenberg-Stipendium für Sie?

Diese Auszeichnungen sind eine große Ehre und eine fantastische Anerkennung meiner Arbeit. Das Heisenberg-Programm der DFG finanziert eine fünfjährige Stelle mit Tenure-Track-Status. Die Bestätigung sowohl aus der Wissenschaft als auch aus der Industrie durch die DECHEMA motiviert mich zusätzlich, meine Forschung fortzusetzen.

Wie sein Nanodrucker funktioniert können Sie sich hier in einem kurzen Video anschauen.