Nanonetze als Sensoren für innovative Medizin
In der Medizin können Biosensoren spezifische chemische Biomarker oder DNA-Sequenzen nachweisen, die Hinweise auf Krankheiten oder besondere Anfälligkeiten liefern. Derzeit sind DNA-Moleküle nur mit allgemeinen und oft teuren Methoden quantifizierbar. Eine patientennahe Überwachung (Point of Care, PoC) mit kostengünstigen Geräten könnte nun schneller Aufschluss über die Tumorentwicklung geben und patientenspezifische Therapien wie auch die Patientenversorgung vereinfachen. Das EU-finanzierte Projekt Nanonets2Sense untersuchte daher die Eignung von Nanonetzen zur 3D-Integration von Biosensoren bei einer Technologie, die integrierte Schaltkreise mit geringem Stromverbrauch, sogenannte komplementäre Metalloxid-Halbleiter (CMOS) erzeugt. „Bislang basieren DNA-Biochips in der Regel auf einer Markierungstechnik, bei der DNA-Moleküle in der zu untersuchenden Probe erst mit Fluoreszenzmarkern präpariert werden. Die Immobilisierung wird dann mit der entsprechenden Sonde sichtbar gemacht“, erklärt Mireille Mouis, Forscherin am nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung CNRS in Frankreich und Projektkoordinatorin von Nanonets2Sense. „Schwerpunkt in Forschung und Entwicklung waren markierungsfreie Methoden, mit denen die Wechselwirkung zwischen Zielstruktur und Sondenmolekülen direkt anhand der veränderten elektronischen, optischen oder mechanischen Eigenschaften des Transducers gemessen wird.“
Ein kompaktes Gerät
Nanonetze sind nach dem Zufallsprinzip angeordnete dünne, lange Nanostrukturen, so genannte Nanodrähte. Wie Mouis erklärt, lassen sich solche Nanonetze neuerdings aus Silizium- oder Zinkoxid-Nanodrähten mit leitenden Eigenschaften in einem kostengünstigen Bottom-up-Verfahren herstellen. Dieses Halbleitermaterial ist als aktives Material besonders für Biosensoren geeignet. „Mit dieser Herstellungsmethode konnten wir Systeme mit einigen wichtigen Merkmalen innovativer Nanodraht-Sensoren generieren, allerdings deutlich kostengünstiger, sodass sie künftig besser für die Entwicklung mit Sensoren geeignet sind“, erklärt Mouis. Mit dem kompakten Gerät werden die Sensoren auf dem Auslesekreis platziert und so in direkten Kontakt mit den nachzuweisenden Biomolekülen gebracht. Das Design dichtet die Auslese- und Konditionierungselektronik auf dem Silizium-CMOS-Chip nicht nur gegen Flüssigkeiten ab, sie kann auch vertikal über das Backend des CMOS-Chips verbunden werden. Mit diesem kompakten Routing können auch größere Matrizen von Sensoren ausgelesen werden, was die Nachweisgenauigkeit verbessert.
Auf einem neuen Kurs
Obwohl die Technologie auf einem einfachen Prinzip beruht, können mit Nanonets2Sense alle innovativen technologischen Bausteine generiert und geprüft werden, um die Funktionalität des CMOS-Chips mit Nanonetz-Biosensoren zu verbessern. Neu ist auch die Art der Auslesung. „Vor diesem Projekt gab es praktisch keinen Versuch, Point-of-Care-Systeme auf Basis von Silizium- oder Zinkoxid-Nanonetzen zu entwickeln – dieses Gebiet war quasi noch gar nicht erforscht“, sagt Mouis. „Unser primäres Ziel war die vollständige 3D-Integration von Biosensoren in CMOS, und mit unserer Technologie ist diese Integration nun im industriellen Kontext möglich.“
Schlüsselbegriffe
Nanonets2Sense, Biosensoren, Point-of-Care, Nanonetze, CMOS, DNA, Biomarker, Nanostrukturen, Nanodrähte