Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Biokompatible Graphen-Transistoren lesen zelluläre Signale

02.12.2011
In Zukunft sollen kleineste Implantate zerstörte Sinneszellen ersetzen und Menschen Sehen, Hören oder das Bewegen von Armen und Beinen ermöglichen.

Doch weil die bisher verwendete Silizium-Technologie in biologischer Umgebung erhebliche Probleme aufwirft, sucht die Wissenschaft nach besseren Materialien. Forscher der Technischen Universität München (TUM) und des Forschungszentrums Jülich haben nun gezeigt, dass auf Basis des biologisch gut verträglichen Graphens solche Schnittstellen zwischen lebenden Zellen und Mikroelektronik aufzubauen sind. Über ihre Ergebnisse berichtet das Fachmagazin „Advanced Materials“.


Herzmuskelzellen auf einem Sensor-Array
Bild: TUM

Seit vielen Jahren entwickelt die Medizintechnik Implantate, die zerstörte Sinneszellen ersetzen und beispielsweise tauben Patienten das Hören wieder ermöglichen sollen. Doch bisher sind die Implantate um ein Vielfaches größer als die Nervenzellen, mit denen sie kommunizieren sollen. Die Silizium-basierte Mikroelektronik passt weder zur Flexibilität biologischer Zellen noch zu deren wässriger Umgebung. Die Wissenschaft sucht daher nach neuen, besser geeigneten Materialien.

Als eine besser geeignete Alternative könnte sich Graphen erweisen. Es besteht im Wesentlichen aus einem zweidimensionalen Netzwerk von Kohlenstoffatomen, bietet hervorragende elektronische Eigenschaften, ist chemisch stabil und biologisch inert. Es kann leicht zu flexiblen Folien verarbeitet werden und sollte sich in größeren Mengen kostengünstig herstellen lassen. Die Ergebnisse der Forschungsgruppe um Jose A. Garrido, Wissenschaftler am Walter Schottky Institut der TU München, bestätigen nun die hervorragende Eignung von Graphen und ebnen den Weg zu weiteren Untersuchungen der Einsatzmöglichkeiten dieses Materials für bioelektronische Anwendungen.

Ausgangspunkt für die im Fachmagazin „Advanced Materials“ beschriebenen Arbeiten war ein Aufbau mit 16 Feldeffekttransistoren, bei denen das Graphen-Netz in direktem Kontakt zu den biologischen Zellen und der sie umgebenden wässrigen Lösung steht (graphene solution-gate-field-effect transistors, G-SGFET). Die Graphen-Netze sowie die Elektronik wurde mit in der Halbleitertechnologie üblichen Verfahren hergestellt. „Der Sensormechanismus dieser Geräte ist relativ einfach“, sagt Jose Garrido. „Änderungen der elektrischen und chemischen Umgebung in der Nähe des Gate-Bereichs des Transistors verändern den Transistorstrom, und den können wir messen.“

Zu Anfang ihrer Versuche ließen die Forscher eine Schicht Herzmuskelzellen über die Transistoren wachsen. Mit ihren Graphen-Transistoren konnten sie anschließend die Aktionspotenziale der einzelnen Zellen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung messen. Die für Herzmuskelzellen typische Ausbreitung der Aktionspotenziale über die Schicht, den Herzschlag, konnten sie elektronisch verfolgen. Als sie der Nährlösung das Stresshormon Noradrenalin beigaben, reagierten die Herzzellen mit erhöhter Schlagfrequenz. Vergleichsmessungen mit Silizium-basierten Elektronikbausteinen zeigten, das die Graphen-Transistoren ein deutlich geringeres Grundrauschen besitzen.

„Ein großer Teil unserer laufenden Forschung ist nun auf die weitere Verringerung des Eigenrauschens der Graphen-Sensoren ausgerichtet“, sagt Jose Garrido, „und auf die Übertragung dieser Technologie auf flexible Substrate wie Parylen und Kapton, die beide bereits in Implantaten verwendet werden. Außerdem arbeiten wir daran, auch die räumliche Auflösung der Sensoren zu verbessern.“ Parallel dazu untersuchen die Wissenschaftler in Kooperation mit dem in Paris ansässigen Vision-Institute die Biokompatibilität von Graphen-Schichten mit Kulturen von Seh-Nervenzellen. In einem breit angelegten europäischen Projekt namens NEUROCARE erforschen sie die Anwendungsmöglichkeiten für Gehirn-Implantate.

Diese Forschung wird unterstützt aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Graphen“ (SPP 1459), der International Helmholtz Research School BIOSOFT, der Bayerischen Graduate School CompInt, des TUM Institute for Advanced Study und des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM).

Originalpublikation:
Graphene Transistor Arrays for Recording Action Potentials from Electrogenic Cells;
Lucas H. Hess, Michael Jansen, Vanessa Maybeck, Moritz V. Hauf, Max Seifert, Martin Stutzmann, Ian D. Sharp, Andreas Offenhaeusser and Jose A. Garrido.
Advanced Materials 2011, 23, 5045-5049. DOI: 10.1002/adma.201102990.
Link: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201102990/suppinfo
Kontakt:
Dr. J. A. Garrido
Walter Schottky Institute
Technische Universität München
Am Coulombwall 4
85748 Garching, Germany
Tel: +49 89 289 12766
E-Mail: garrido@wsi.tum.de

Dr. Ulrich Marsch | idw
Weitere Informationen:
http://www.wsi.tum.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Neue Beschichtung bei Industrieanlagen soll Emissionen senken
12.12.2017 | Technische Universität Kaiserslautern

nachricht Realer Versuch statt virtuellem Experiment: Erfolgreiche Prüfung von Nanodrähten
07.12.2017 | Helmholtz-Zentrum Geesthacht - Zentrum für Material- und Küstenforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Im Focus: Electromagnetic water cloak eliminates drag and wake

Detailed calculations show water cloaks are feasible with today's technology

Researchers have developed a water cloaking concept based on electromagnetic forces that could eliminate an object's wake, greatly reducing its drag while...

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Im Focus: Scientists channel graphene to understand filtration and ion transport into cells

Tiny pores at a cell's entryway act as miniature bouncers, letting in some electrically charged atoms--ions--but blocking others. Operating as exquisitely sensitive filters, these "ion channels" play a critical role in biological functions such as muscle contraction and the firing of brain cells.

To rapidly transport the right ions through the cell membrane, the tiny channels rely on a complex interplay between the ions and surrounding molecules,...

Im Focus: Stabile Quantenbits

Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland schaffen ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer

Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer: Wissenschaftler der Universität Konstanz, der Princeton University sowie der University of Maryland entwickeln ein...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

Hohe Heilungschancen bei Lymphomen im Kindesalter

07.12.2017 | Veranstaltungen

Der Roboter im Pflegeheim – bald Wirklichkeit?

05.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mit Quantenmechanik zu neuen Solarzellen: Forschungspreis für Bayreuther Physikerin

12.12.2017 | Förderungen Preise

Stottern: Stoppsignale im Gehirn verhindern flüssiges Sprechen

12.12.2017 | Biowissenschaften Chemie

E-Mobilität: Neues Hybridspeicherkonzept soll Reichweite und Leistung erhöhen

12.12.2017 | Energie und Elektrotechnik