Bioelektronische Geräte für den medizinischen Einsatz
Bioelektronische Geräte haben ein enormes wissenschaftliches und praktisches Potenzial, sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der Medizin, Spitzentechnologie, im Militär u.a. Der kombinierte Einsatz von Biomaterialien und elektronischen Elementen wie Elektroden, Chips und Transistoren in hybriden Geräten könnte die Produktion von Biotreibstoffzellen, Biosensoren und Biocomputern beschleunigen. Eine der größten Hürden in der Bioelektronik ist jedoch die schwache elektronische Kommunikation zwischen biologischen und elektronischen Komponenten. Somit stellte sich das EU-finanzierte Projekt 3D-NANOBIODEVICE (Three-dimensional nanobiostructure-based self-contained devices for biomedical application) der technologischen Herausforderung, ein hybrides bioelektronisches System herzustellen, das sich zur Analyse verschiedenster biologischer Materialien wie Blut, Serum und Plasma einsetzen lässt. Mit wissenschaftlichen Methoden wurden die grundlegenden Prinzipien der Kontrolle des Elektronentransfers zwischen Goldnanopartikeln (AuNP), Kohlenstoffröhren bzw. deren 3D-Assemblierungen und verschiedensten biologischen Elementen erforscht. Zu diesem Zweck wurden Redoxenzyme mit AuNP oder Kohlenstoffnanoröhren über Nanodrähte verbunden, Oberflächenbehandlungen durchgeführt und Redoxkomplexe eingesetzt. Für die technologische Verbesserung von Bioelektroden wurde deren Leistung zuerst mathematisch modelliert und die Berechnungen anschließend mit den experimentell ermittelten Parametern abgeglichen. Das Konsortium stellte Glukose- und Sauerstoff-sensitive 3D-Bioelektroden her, die sich als Biosensoren oder auch Bioanoden oder –kathoden für Biotreibstoffzellen eignen. Die Biosensoren wurden an elektronische Geräte mit einem energiesparenden Funksender, einem Spannungsverstärker und einem Mikropotentiometer angeschlossen, die sämtlich durch Biotreibstoffzellen angetrieben wurden. Die Signale dieser hybriden Biogeräte wurden computergestützt ausgewertet und geben Aufschluss über die unterschiedlich hohen Konzentrationen der biologischen Analyte. Die Innovation des Projekts bestand in der Machbarkeitsdemonstration der funktionellen batterielosen Biogeräte zur kontinuierlichen Glukose- und Sauerstoffüberwachung verschiedenster biologischer Materialien, was die Lebensqualität und Sicherheit von Patienten mit chronischen Erkrankungen wie etwa Diabetes verbessern kann.