Die 2-Photonen-Manipulation beruht auf der Nutzung des 2-Photoneneffektes unter Verwendung eines gepulsten Femtosekundenlasers. Ein Einsatz von ultrakurzen Laserpulsen bietet beim Mikroskopieren einerseits den Vorteil einer hohen Eindringtiefe, da die Laserwellenlänge im NIR-Bereich liegt. Zum anderen kommt es nur im Laserfokus zur Absorption der Laserstrahlung.
Eine Fokussierung ultrakurzer Laserpulse mit Pulsdauern von weniger als hundert Femtosekunden ermöglicht neben einer Fluoreszenzanregung und der Triggerung photochemischer Prozesse auch die Materialbearbeitung im µm-Bereich.
In Abhängigkeit von Intensität und Einstrahlungsdauer kommt es zu verschiedenen Arten der Wechselwirkung zwischen der Laserstrahlung und dem Gewebe. Durch Applikation von energiereichen Pulsen in Zellen entstehen im Laserfokus hohe Intensitäten. Beim Erreichen eines Schwellenwertes werden hohe Dichten an freien Elektronen generiert. Übersteigen die Feldstärken am Ort des Fokus die des atomaren Feldes kommt es zur Plasmabildung (optischer Durchbruch). Dies ermöglicht über eine explosionsartige Verdampfung einen Materialabtrag. Mit gepulsten Lasern lässt sich eine besonders präzise und mit minimaler Schädigung verbundene Laserbearbeitung von Geweben erreichen.
Liegen die Strahlungsintensitäten nahe dem Schwellenwert zum optischen Durchbruch und ist nur in der Mitte des Fokus eine ausreichend hohe Intensität vorhanden, kann eine Schnittgenauigkeit von wenigen hundert Nanometern realisiert werden.
Die 2-Photonen-basierte Nanochirurgie ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen. So wird diese Technik z.B. in der refraktiven Augenchirurgie oder im Bereich der Gen-Transfektion auf ihre für die Verwendungsmöglichkeiten getestet.
Im Rahmen BMBF-Verbundprojekt NANOTME soll die 2-Photonen-Manipulation zur Untersuchung der Zell- und Gewebemechanik im Bereich des Knorpel-Tissue-Engineering zum Einsatz kommen.
Auf zellulärer Ebene existieren verschiedene mathematische Modelle zur Beschreibung der Zellmechanik. Anhand der Modelle soll die Mechanotransduktion innerhalb von Zellverbänden simuliert werden. Diese Modelle dienen als Grundlage zur gezielten mikromechanische Zellmanipulationen am Cytoskelett. Das Cytoskelett (Abbildungen 1 und 2) ist ein wichtiger Überträger mechanischer Stimuli ins Zellinnere. Der Einsatz der 2-Photonen-Technik zur Manipulation zellulärer Strukturelemente soll dabei helfen, die Mechanotransduktion in Zellen besser zu verstehen und mechanosensitive Differenzierungsprozesse gezielt zu beeinflussen.