Laserwirbel: kontaktfreie Mikrotechnologie

Eine zentrale Herausforderung moderner Mikroskopie besteht darin, dass viele Verfahren zwar extrem detailreiche Bilder einzelner Ebenen liefern, dreidimensionale Strukturen jedoch nur eingeschränkt erfassen können. Für präzise 3D-Rekonstruktionen müssen Proben daher aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen werden. Gerade bei empfindlichen biologischen Materialien wie Tumorzellen, Organellen oder Embryonalstrukturen ist das Drehen der Probe jedoch technisch schwierig: Mechanische Verfahren mit Mikropipetten, Nadeln oder Greifern können die Objekte beschädigen oder Messergebnisse verfälschen.

Kontaktfreie Beobachtung und Analyse

Die Arbeitsgruppe um Moritz Kreysing und Fan Nan am KIT setzt deshalb auf einen indirekten Ansatz. Mithilfe eines Lasers wird die Flüssigkeit, in der sich die Probe befindet, lokal minimal erwärmt. Dadurch entstehen mikroskopisch kleine Strömungen, die freischwebende Objekte sanft bewegen und ausrichten können – ohne direkten Kontakt zur Probe.

„Wir manipulieren die Probe nicht direkt“, erklärt Nan. „Stattdessen steuern wir die Bewegung der umgebenden Flüssigkeit so, dass sich das Objekt von selbst ausrichtet.“ Bekannt waren laserinduzierte Strömungen bislang vor allem für Bewegungen in einer Ebene. Die KIT-Forscher konnten nun erstmals kontrollierte Rotationen außerhalb dieser Ebene erzeugen. Dazu tastet der Laser das Medium schnell in spiralförmigen Mustern ab und erzeugt dadurch schraubenförmige Strömungen, die die Objekte rotieren lassen.

Für die Mikroskopie bedeutet dies einen bedeutenden Fortschritt: Zellen und andere biologische Strukturen lassen sich aus mehreren Perspektiven aufnehmen, ohne dass mechanische Eingriffe die Probe beeinflussen. Das verbessert die Qualität dreidimensionaler Bilddaten und könnte insbesondere in der Krebsforschung, Zellbiologie und personalisierten Medizin relevant werden. „Wenn sich Proben genauer ausrichten lassen, sehen wir mehr Details“, so Kreysing. „Das ist eine zentrale Voraussetzung, um biologische Strukturen und Prozesse besser zu verstehen.“

Zellbehandlung ohne Kontakt auch bei Fraunhofer ein Thema

Einen anderen Ansatz verfolgen bereits seit einigen Jahren Forscher des Fraunhofer-Institute für Produktionstechnologie IPT und für Lasertechnik ILT mit ihrem sogenannten Liftoscope, einem Mikroskopsystem zur automatisierten Herstellung und Auswahl von Zellkulturen.

Beide Technologien verbindet ein gemeinsames Ziel: empfindliche biologische Proben ohne mechanischen Kontakt zu manipulieren, um Zellschäden zu vermeiden und die Qualität wissenschaftlicher oder medizinischer Ergebnisse zu verbessern. Auch setzen beide auf Laser als zentrales Werkzeug. Dennoch unterscheiden sich die Ansätze grundlegend in Funktion und Anwendung. Während das KIT-Verfahren auf die Analyse einzelner Proben abzielt, steht beim Fraunhofer-System die automatisierte Verarbeitung und Selektion lebender Zellkulturen im Vordergrund.

Die Karlsruher Forscher nutzen fein gesteuerte Temperaturgradienten in einer Flüssigkeit, um freischwebende Objekte sanft in alle drei Raumrichtungen zu drehen. Das Aachener „Liftoscope“ arbeitet dagegen mit dem sogenannten laserinduzierten Vorwärtstransfer (LIFT). Hier dient der Laser nicht zur Bewegung über Flüssigkeitsströmungen, sondern erzeugt einen gezielten Energieimpuls unter einer Zellkultur, die in einem Hydrogel wächst. Durch die kurzzeitige Ausdehnung des Gels werden ausgewählte Zellen auf einen neuen Träger übertragen – kontaktfrei, aber aktiv versetzt. Kombiniert mit automatisierter Bildanalyse können geeignete Zellkolonien identifiziert, isoliert und weiter kultiviert werden. Die Zelltrennung, die für den Bereich der Zelltherapie von entscheidender Bedeutung ist, kann damit automatisiert und ihre Qualität kontrolliert werden.

Automatisierung und Hochdurchsatz

Über die medizinische Forschung hinaus sehen auch die KIT-Wissenschaftler Potenzial für Anwendungen, die mit der Automatisierung zu einem größeren Probendurchsatz führen, und damit für Schnittmengen des Ansatzes hin zur Mikrorobotik oder den präzisen Fertigungsprozessen im Kleinstmaßstab. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse des KIT in der Fachzeitschrift Light: Science & Applications. (Fan Nan, Weida Liao, Adrián Puerta, Josephine Spiegelberg, Elena Erben, Ralf Mikut, Stephan Allgeier, Martin Wegener, Eric Lauga & Moritz Kreysing: Helical opto-thermoviscous flows drive out-of-plane rotation and particle spinning in a highly viscous micro-environment. Light Sci Appl, 2026. DOI 10.1038/s41377-026-02303-8.)