Mario Birkholz

Bioelektronik

Mit Hilfe der Mikroelektronik können hochkomplexe Funktionalitäten in sehr kleinvolumige Geräte integriert werden. Ihr zunehmender Einsatz in Biosensoren entspricht den Anforderungen in Medizin und Biotechnologie an autonome Systeme und intelligente Implantate mit integrierter Steuerung, Analyse und drahtloser Datenübertragung einschließlich Anwendungen in der Point-of-Care-Diagnostik und Telemedizin [65]. 

Die technische Grundlage für die kontinuierliche Leistungssteigerung innerhalb der letzten vier Jahrzehnte bildete die kontinuierliche Skalierung, d. h. die unaufhörliche Verringerung der minimalen Funktionsabmessungen in mikroelektronischen Bauelementen. Diese Entwicklung wurde erstmals von Gordon Moore bei einem Versuch, die mikroelektronische Integration zu beschreiben, erkannt und später als Moore'sches Gesetz bezeichnet. Sie hat die Halbleitertechnik zu Objekten in Nanometergröße geführt, deren Ausdehnung mit der von großen Biomolekülen vergleichbar ist. Die absehbare Integration von Biomaterialien wird zu neuen Sensoren und Hybridgeräten führen. Insbesondere die fortschreitende Miniaturisierung wird es ermöglichen, intelligente Sensorsysteme für die kontinuierliche Überwachung von Stoffwechselprodukten in unserem Körper sowie in Bioprozessen zu konstruieren.lifis online].

Das Joint Lab Bioelectronics wurde aufgrund der zunehmenden Bedeutung dieses interdisziplinären Gebietes von der TU Berlin und dem IHP gegründet. Ziel des Labors ist es, durch gemeinsame Projekte und Untersuchungen die Vorteile der Mikroelektronik in der Biotechnologie zu nutzen. Darüber hinaus sollen Studenten aus den Lebenswissenschaften frühzeitig mit dem mikroelektronischen Werkzeugkasten in Berührung kommen (siehe Einführung in die Bioelektronik).

Glucose-Sensor

Eine wesentliche Dynamik für die Konvergenz von Mikroelektronik und Biotechnologie leitet sich aus dem Bereich der biomolekularen Sensorik ab und ist auf den großen Kostendruck im Gesundheitssektor zurückzuführen. Hier können die effizienten Techniken, die die Mikroelektronik ermöglicht, zur Analytik verschiedener menschlicher Stoffwechselprodukte beitragen, die für die Gesundheit des Patienten von Bedeutung sind und regelmäßig überwacht werden müssen.

Einer der wichtigsten Stoffwechselprodukte im menschlichen Körper ist Glukose, die die chemische Energie liefert, wie sie für praktisch alle Lebensbereiche benötigt wird. Ihr Transport in die Zellen erfolgt über ein insulingesteuertes Glucose-Transportprotein.Im Falle eines Insulinmangels, wie er bei Diabetikern auftritt, kann der erhöhte Glukosespiegel im Blut schwerwiegende gesundheitliche Folgeschäden verursachen. Es wäre sehr wünschenswert, über einen kontinuierlichen Glukosemonitor zu verfügen, der als Implantat im Patienten wirkt, um Hypo- und Hyperglykämiezustände zu vermeiden oder zu reduzieren.

At IHP in Frankfurt/Oder we are developing a minimally invasive glucose sensor, by which diabetics may continuously control the glucose concentration [61Der Sensor basiert auf dem Prinzip der Affinitätsviskosimetrie und macht von der Bindungskonkurrenz Gebrauch zwischen einem Pflanzenprotein (concanavalin A) und einem Saccharid, d. h. Glukose oder Dextran. Zu diesem Zweck wird eine sensorische Flüssigkeit, die ConA und Dextran enthält, in einen Hohlraum gefüllt und interagiert über eine semipermeable Membran mit dem interstitiellen Gewebe. Die Veränderung der Glukosekonzentration in letzterem bewirkt eine Veränderung der Viskosität der sensorischen Flüssigkeit, die von einem flexiblen Cantilever in der Kavität detektiert wird; eine schematische Darstellung des Sensorprinzips ist in der Abbildung zu sehen. Durch moderne Mikroelektronik [56, 58] und Mikrosystemtechnologie [53] kann die Sensoreinheit auf ein Volumen von nur wenigen Kubikmillimetern miniaturisiert werden und somit über einen Zeitraum von einigen Tagen am menschlichen Körper angebracht werden.

Hybride Systeme

Hybrid materials from both worlds – the biomolecular and the semiconductor one – will become an important branch in future material science. Their today applications are mainly in the area of biomolecular sensing. In a first approach MEMS , also mikroelektromechanische Systeme entwickelt werden, die die Technik biochemischer Assays mit dem Miniaturiserungspotential der Halbleitertechnologiekombinieren. Für solche Systeme können verschiedene Sensorprinzipien wie die gravimetrische Detektion über akustische Oberflächenwellen genutzt werden. In einem zweiten Schritt wird die Konvergenz von Biomolekülen und Halbleitern in voll CMOS-integrierten Bauelementen die Realisierung von Sensoren und bioelektronischen Schaltungen mit völlig neuen Funktionalitäten ermöglichen.

Im Hinblick auf die grundlegende Physik zukünftiger bioelektronischer Bauelemente ist es offensichtlich, dass die Schnittstelle zwischen Biomolekülen und Halbleitern die größte Herausforderung für eine Konvergenz beider Materialwelten darstellt. Offene Fragen betreffen die Übertragung von Informationen über die Grenzfläche oder die lokale Kontrolle der biomolekularen Bindung. Aus Sicht der Strukturforschung ist die Perspektive von Interesse, wie das Nanotemplating von Halbleiteroberflächen eine lokale Kontrolle biomolekularer Bindungen ermöglichen könnte. Eine solche Technik würde den Weg für biophysikalische und andere Untersuchungen der molekularen Wechselwirkung zwischen aktiven biologischen Spezies wie Proteinen und ihren Liganden öffnen. Diese Fragen stehen derzeit im Fokus der modernen Lebenswissenschaften, nachdem durch die Sequenzierung des menschlichen und anderer Genome die Schaltzentralen der eukariotischen Zellen entschlüsselt wurden und es zu klären gilt, wie die Mechanik der Zelle im Detail funktioniert. Mit der zur Verfügung stehenden modernen CMOS Halbleitertechnologie [65].

Erste Untersuchungen haben mit der derzeit verfügbaren 130nm Technologie des IHP begonnen. Als Beispiel zeigt die Abbildung eine AFM-gemessene Nanometer-Topographie, die in Standard-Si-Wafer eingeschrieben werden [44] und die als Nanotemplate für nachfolgende Immobilisierungsprotokolle dienen kann.

[Die Zahlen in eckigen Klammern] stehen immer für die Nummern in der Publikationsliste