Magnetic Measurement and Imaging Technology (MMIT)

Mission

Die Forschungsgruppe Magnetische Mess- und Bildgebungstechnik (MMIT) unter der Leitung von Dr. Thilo Viereck am Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik (EMG) der TU Braunschweig beschäftigt sich mit der Entwicklung und Integration modernster Messtechnologien für die biomedizinische Bildgebung, diagnostische Bioassays und therapeutische Anwendungen. Unter Ausnutzung der einzigartigen magnetischen Eigenschaften superparamagnetischer Eisenoxid-Nanopartikel (SPIONs) entwickelt die Gruppe innovative Bildgebungsverfahren wie die Magnetpartikelbildgebung (MPI) und die Magnetpartikelspektroskopie (MPS) sowie fortschrittliche Methoden der magnetischen Hyperthermie zur lokalisierten Medikamentenfreisetzung.

Die Forschung der Gruppe umfasst das Design und die Herstellung maßgeschneiderter Hardware für die präzise Steuerung magnetischer Felder, die empfindliche Detektion und die Entwicklung innovativer Software für die Echtzeit-Datenerfassung und -verarbeitung. Die Forschung der Gruppe verbindet das grundlegende Verständnis magnetischer Nanopartikel mit innovativen biomedizinischen Lösungen, etwa strahlungsfreien Bildgebungssystemen, waschfreien Bioassays oder zielgerichteter magnetischer Hyperthermie zur Medikamentenfreisetzung, beispielsweise in der Herztherapie.

Darüber hinaus erforscht die MMIT-Gruppe industrielle Einsatzmöglichkeiten magnetischer Nanopartikel zur Materialverarbeitung, etwa in Kunststoffen und Klebstoffen. Die MMIT Gruppe am EMG ist führend bei der Umsetzung der Forschung an magnetischen Nanopartikeln in diagnostische, therapeutische und industrielle Technologien der nächsten Generation.

Forschungsschwerpunkte

MPI ist ein neuartiges, tracerbasiertes Bildgebungsverfahren, das die nichtlineare Magnetisierungskennlinie von SPIONs unter oszillierenden Magnetfeldern ausnutzt, um dreidimensionale, kontrastreiche Bilder zu erzeugen. Im Gegensatz zu konventionellen bildgebenden Verfahren macht MPI die räumliche Verteilung der injizierten magnetischen Partikel direkt und ohne Hintergrundaufhellung sichtbar und bietet eine hervorragende zeitliche und räumliche Auflösung. Die Arbeit der MMIT Gruppe im Bereich MPI umfasst das Design von Scannergeometrien, Kalibrierungstechniken und die Optimierung der magnetischen Eigenschaften von Nanopartikeln, um die Bildqualität und quantitative Genauigkeit zu verbessern.

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Die von den MPI-Prinzipien abgeleitete MPS misst das Auftreten von höheren Harmonischen (der Anregungsfrequenz), die sich aus der nicht-linearen, dynamischen Magnetisierung von Nanopartikeln unter einem angelegten Anregungsfeld ergeben. Diese hochempfindliche Technik ermöglicht schnelle, quantitative Bioassays, indem sie bindungsinduzierte Veränderungen im Relaxationsverhalten von Nanopartikeln nachweist. Die MMIT Gruppe setzt die MPS für Anwendungen wie den Nachweis von viralen Antigenen und Nukleinsäuren (DNA/RNA) ein. Die Forschungsarbeiten der Gruppe befassen sich sowohl mit den physikalischen Grundlagen der Magnetisierung von Nanopartikeln als auch mit der praktischen Anwendung von Geräten zur Charakterisierung von Nanopartikeln und für diagnostische Tests.

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Im Mittelpunkt von MPI und MPS steht die Untersuchung von magnetischen Nanopartikeln, insbesondere SPIONs, die superparamagnetisches Verhalten im Nanobereich aufweisen. Ihre schnelle magnetische Reaktion, hohe Suszeptibilität und Biokompatibilität machen sie zu idealen Tracern und Sensoren im biomedizinischen Kontext. Die MMIT Gruppe untersucht die magnetische Relaxationsdynamik zur Charakterisierung von Partikeln nach der Synthese oder Oberflächenfunktionalisierung, um eine optimale Leistung für Bildgebung, Biosensorik und therapeutische Anwendungen zu gewährleisten.

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Über Bildgebung und Biosensorik hinaus entwickelt die MMIT Gruppe aktiv Techniken zur magnetischen Hyperthermie, die auf die lokale Verabreichung von Medikamenten abzielen. Durch den Einsatz von MPI-Hardware zur Erzeugung präziser, lokalisierter magnetischer Erwärmung untersucht die Gruppe neuartige therapeutische Ansätze - wie etwa die Verabreichung von xNA am Herz zur Verbesserung der Herztherapie. Darüber hinaus werden diese Methoden für industrielle Anwendungen angepasst, bei denen die lokale Erwärmung von eingebetteten magnetischen Nanopartikeln in Materialien wie Kunststoffen und Klebstoffen eine gezielte Veränderung der Materialeigenschaften ermöglicht. Diese Ansätze versprechen, die therapeutischen Ergebnisse zu verbessern und die industrielle Verarbeitung zu revolutionieren, indem die magnetische Steuerung in die Materialherstellung integriert wird.

Durch die Integration von fortschrittlicher Hardware, innovativer Software und Grundlagenforschung fördert die MMIT Gruppe nicht nur das Verständnis der Dynamik magnetischer Nanopartikel, sondern ebnet auch den Weg für Diagnose- und Bildgebungstechnologien der nächsten Generation, die erhebliche klinische Auswirkungen versprechen.

Gruppe

Gruppenleiter: Dr.-Ing. Thilo Viereck

Bildgebende Verfahren: Magnetische Partikel-Bildgebung (MPI), Magnetresonanztomographie (MRT)
Hardwareentwicklung für analoge und digitale Messsysteme
Software-Entwicklung für Desktop-, mobile und eingebettete Systeme
Numerische Algorithmen: Digitale Signal- und Bildverarbeitung, inverse Probleme, Rekonstruktion und Regularisierung

Google Scholar | ORCID 0000-0001-6814-6266

Doktorand: Florian Wolgast, M.Sc.

Magnetische Partikelspektroskopie (MPS) für Bioassays mit magnetischen Nanopartikeln
Mathematische Modellierung von magnetischen Nanopartikeln

ORCID 0000-0001-9118-4033

Doktorand: Kai Lünne, M.Sc.

Magnetic Particle Imaging (MPI)-basierte Hardwareentwicklung für lokalisierte Erwärmung
Kontrollmethoden, die eine sichere, nicht-invasive, lokalisierte Modulation von Materialien oder Geweben ermöglichen
Forschung an der Schnittstelle von Magnetfeldtechnologie, Bildgebung und funktionellen Biomaterialien

ORCID 0009-0005-5510-9913

Laufende Projekte

DFG Project: "Sensitive mix-and-measure magnetic immunoassay for SARS-CoV-2 virus detection: towards benchtop point-of-need diagnostics
(10/2022 - 09/2025)

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines kostengünstigen, hochempfindlichen und einfach zu bedienenden Virusnachweissystems unter Verwendung der Magnetpartikelspektroskopie (MPS) und Antikörper-konjugierter magnetischer Nanopartikel. Die Methode ermöglicht eine quantitative, schnelle Diagnostik direkt aus Patientenproben (z. B. Speichel) mit Hilfe eines kompakten Tischgeräts. Durch die Kombination von Materialwissenschaft, Biologie und Technik schafft das Team eine robuste Plattform für den präzisen Nachweis von Viren über SARS-CoV-2 hinaus, die sich für groß angelegte Screenings und Pandemievorsorge eignet.

GradKolleq: "Applied research on RNA-based agents in medical and pharmaceutical technology (RNApp)"
(08/2024 - 07/2027)

Subproject A4: "Targeted ncRNA Delivery Using Thermo-Responsive Magnetic Nanoparticles (SPIONs)"
Dieses Projekt erforscht das therapeutische Potenzial von superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln (SPIONs) als organspezifische Träger für ncRNA-Therapeutika. Durch die Kopplung von ncRNA-Wirkstoffen an SPIONs über thermosensitive Linker kann eine gezielte Freisetzung durch lokale magnetische Erwärmung ausgelöst werden, die durch Magnetpartikel-Bildgebung (MPI) überwacht wird. Dieser Ansatz zielt darauf ab, Off-Target-Effekte zu überwinden, die bei lipidbasierten Verabreichungssystemen üblich sind, und die Behandlungspräzision bei fibrotischem Lungengewebe zu verbessern. Das Projekt umfasst die Entwicklung von Nanopartikeln, Freisetzungsstudien, Toxizitätsbewertung und In-vivo-Wirksamkeitstests in Mausmodellen in enger Zusammenarbeit mit der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH).

DFG Project: "Localized cardiac ncRNA therapy via imaging-controlled magnetic nanoparticle delivery"
(11/2025 - 10/2028)

This project is developing a new method for targeted and controlled drug delivery to the heart. At its core is a customized magnetic nanoparticle drug delivery agent (DDA) carrying LNA-21, which inhibits the pro-fibrotic microRNA-21. Guided by imaging, the nanoparticles can be precisely activated at the target site to release the drug. By locally blocking miR-21, the therapy aims to reduce cardiac fibrosis, preserve heart function, and slow the progression of heart disease while minimizing side effects.

BMBF Project 13GW0790E: "Induktiv modulierbarer patientenindividueller Sehnenersatz (MagTen)"
(01/2026 - 12/2028)

MagTen ist ein neuartiges, patientenspezifisches Sehnenimplantat, das 3D-gedruckte biphasische Metamaterialien mit nicht-invasiver magnetischer Modulation kombiniert. Es ahmt den natürlichen Übergang von der Sehne zum Knochen nach und ermöglicht die postoperative Anpassung der mechanischen Eigenschaften durch integrierte Nanopartikel. Dieser Ansatz verbessert die Heilungsergebnisse, macht vorbereitende Operationen überflüssig und unterstützt eine schnellere und effektivere Rehabilitation.

Publikationen

Marion Görke, Sherif Okeil, Guohui Yang, Hermann Nirschl, Thilo Viereck, Georg Garnweitner: The role of superlattice phases and interparticle distance in the magnetic behaviour of SPION thin films, Nanoscale 17(21), 13466–13476, 2025. doi: 10.1039/D5NR00973A
Rebecca Sack, Joshua Evans, Florian Wolgast, Meinhard Schilling, Thilo Viereck, Petr Šulc, Aidin Lak: Mismatch-Assisted Toehold Exchange Cascades for Magnetic Nanoparticle-based Nucleic Acid Diagnostics, JACS Au 5(9), 4611–4624, 2025. doi: 10.1021/jacsau.5c00985
Marion Görke, Daesung Park, Sherif Okeil, Thilo Viereck, Georg Garnweitner: Tuning Elemental Distribution in FePt Nanoparticles through Ligand Ratio Variation, Crystal Growth & Design 25(15), 6461–6467, 2025. doi: 10.1021/acs.cgd.5c00868

Enja Laureen Rösch, Rebecca Sack, Mohammad Suman Chowdhury, Florian Wolgast, Margarete Zaborski, Frank Ludwig, Meinhard Schilling, Thilo Viereck, Ulfert Rand, Aidin Lak: Amplification- and Enzyme-Free Magnetic Diagnostics Circuit for Whole-Genome Detection of SARS-CoV-2 RNA, ChemBioChem 25(16), 2024. doi: 10.1002/cbic.202400251
Aidin Lak, Yihao Wang, Pauline J. Kolbeck, Christoph Pauer, Mohammad Suman Chowdhury, Marco Cassani, Frank Ludwig, Thilo Viereck, Florian Selbach, Philip Tinnefeld, Meinhard Schilling, Tim Liedl, Joe Tavacolib, Jan Lipfert: Cooperative dynamics of DNA-grafted magnetic nanoparticles optimize magnetic biosensing and coupling to DNA origami, Nanoscale 16, 7678-7689, 2024. doi: 10.1039/D3NR06253H
Tamara Kahmann, Florian Wolgast, Thilo Viereck, Meinhard Schilling, Frank Ludwig: Improvements of magnetic nanoparticle assays for SARS-CoV-2 detection using a mimic virus approach, Sensing and Bio-Sensing Research 44(100654), 2024. doi: 10.1016/j.sbsr.2024.100654
Thilo Viereck, Kai Luenne, Meinhard Schilling, Frank Ludwig: Integrated hyperthermia and magnetic particle imaging system for localized drug-release, International Journal on Magnetic Particle Imaging, 10(1), 2024. https://www.journal.iwmpi.org/index.php/iwmpi/article/view/723
Shijie Sun, Yaoyao Chen, Klaas-Julian Janssen, Thilo Viereck, Meinhard Schilling, Frank Ludwig, Lijun Xu, Jing Zhong: Sparse-representation-based image reconstruction for magnetic particle imaging, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 73, pp. 1-9, 2024. doi: 10.1109/TIM.2023.3332394
Florian Wolgast, Eike Wendt, Frank Ludwig, Meinhard Schilling, Thilo Viereck: Towards sensitive Magnetic Particle Spectroscopy-based immunoassays with adjustable DC offset fields, International Journal on Magnetic Particle Imaging IJMPI, 10(1), 2024. url: https://www.journal.iwmpi.org/index.php/iwmpi/article/view/732

Aktuelle Kooperationspartner

Dr. Franziska Kenneweg, Prof. Dr. Dr. Thomas Thum, Prof. Christian Baer
Institute of Molecular and Translational Therapeutic Strategies (IMTTS) at Hannover Medical School (MHH)
Hannover, Germany
https://www.mhh.de/institute-zentren-forschungseinrichtungen/imtts/research-groups
Dr. Aidin Lak
Junior Research Group "Metrology4Life" at Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), TU Braunschweig
Braunschweig, Germany
https://www.tu-braunschweig.de/mib/lena/nachwuchsgruppen/metrology4life
Dr. Daniel Baumann and Carina Baumann
uppolluX GmbH
Tuttlingen, Germany
https://uppollux.com/

Magnetic Measurement and Imaging Technology (MMIT)

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Gruppe

Gruppenleiter: Dr.-Ing. Thilo Viereck

Doktorand: Florian Wolgast, M.Sc.

Doktorand: Kai Lünne, M.Sc.

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