Günstig und effizient - Biosensoren von der Rolle

Biosensoren sind heutzutage aus der Medizintechnik nicht mehr wegzudenken. Ihre Herstellung ist aber noch sehr aufwendig. Das interdisziplinäre Verbundprojekt M-era.Net BIOGRAPHY will das mit einem Verfahren ändern, das für die Massenproduktion tauglich ist.

02.11.2015

Foto: Rolle-zu-Rolle-Druckanlage

Mit einer Rolle-zu-Rolle-Druckanlage sollen Biosensoren aus Graphen in Serie druckbar werden (Symbolbild); ©panthermedia.net/ reflex_safak

Das Forscherteam hat es sich zum Ziel gesetzt, Graphen-Elektroden mit biofunktionaler Beschichtung auf großflächige Polymerfolien aufzubringen. Das soll den Druck von Folien ermöglichen, die sich für die Herstellung von Biosensoren in industrieller Größenordnung einsetzen lassen.

Mit Biosensoren können Medikamente einfach und zuverlässig getestet oder Zellwachstum in veränderten Umweltbedingungen schnell erkannt werden. Diese Sensoren basieren auf Elektroden, auf die Proteine aufgebracht sind. Sie verändern sich abhängig von der Messaufgabe und geben Signale an diese Elektroden ab. Die Kohlenstoffmodifikation Graphen gilt aufgrund ihrer katalytischen Aktivität, Leitfähigkeit, Biokompatibilität und Transparenz für viele Biosensoren als das ideale Elektrodenmaterial. Obwohl 2004 erstmals dargestellt, ist erst seit 2014 ist eine Methode bekannt, mit der man größere Mengen Graphen hochwertig produzieren kann. Um Graphen-Biosensoren industriell herstellen zu können, werden Verfahren für die zuverlässige und automatisierte Produktion von Elektrodenstrukturen und deren Beschichtung benötigt.

Aus der Zellkulturtechnik kennt man bereits Beschichtungstechniken, die biokompatibel sind. Die Kulturschalen werden dabei mit verschiedensten Proteinen beimpft. Gängige Verfahren sind das Spin Coating, bei dem die Proteinflüssigkeit von der Mitte aus auf die Substratfläche verschleudert wird und das Micro Contact Printing, bei dem mikrometerdicke Proteinstrukturen auf das Substrat gedruckt werden. Beide Verfahren haben ihre Nachteile: Beim Spin Coating geht viel Proteinflüssigkeit verloren und das Micro Contact Printing ist für großflächige Anwendungen derzeit zu teuer und zu aufwendig.
Grafik: Graphen

Hält das "Wundermaterial" Graphen, was es verspricht - auch für druckbare Sensoren?; ©panthermedia.net/ ogwen

Klassische Drucktechnik für Graphen-Sensoren der Zukunft

Im EU-geförderten Gemeinschaftsprojekt M-era.Net BIOGRAPHY zwischen Forschern und Herstellern aus Großbritannien und Deutschland setzt man auf ein neuartiges Druckverfahren für die Substratbeschichtung. Hierzu verwenden Wissenschaftler des Fraunhofer Instituts für biomedizinische Technik IBMT eine leitfähige graphenhaltige Tinte des Forschungspartners Haydale. Die Zusammenarbeit mit den Briten ist essentiell, da sie die nötige Expertise in der Entwicklung der neuartigen Graphentinte zur Verfügung stellen. Mit ihrer Hilfe wurde eine leitfähige Proteintinte entwickelt, die - wie auch die anderen verwendeten Materialen - biokompatibel ist.

Für die benötigten Druckzylinder wurde eine Mikro-Gravuranlage erarbeitet, bei der ein speziell fokussierter Ultrakurzpulslaser und neuartige Oberflächenbeschichtungen zum Einsatz kamen. Zur Sensorherstellung wird dieser Druckzylinder in eine Rolle-zu-Rolle-Druckanlage integriert, die gemeinsam mit der deutschen Firma Saueressig entwickelt wurde. Vom Grundprinzip her ist es eine Druckanlage, wie sie auch für den Zeitungsdruck verwendet wird. Auf dieser Rolle-zu-Rolle-Anlage wird zunächst das Substrat aufgerollt und während des Druckverfahrens auf die andere Rolle transportiert. Mit diesem Verfahren lassen sich große Mengen Substrat sehr schnell, stabil und kostengünstig bedrucken. Die maximale Folienbreite liegt derzeit bei 30 Zentimetern und die kleinsten druckbaren Strukturen liegen bei einer Größenordnung von 10 bis 20 Mikrometern.

Große Mengen für automatisierte Anwendungen herstellbar

Durch diese Produktionsanlage soll es zukünftig möglich sein, komplette mikrostrukturierte Biosensoren zuverlässig und automatisiert zu drucken. Unter Zuhilfenahme der neuentwickelten Tinten und Druckprozesse sollen zum Beispiel kostengünstige Einwegsensoren für den direkten Virusnachweis durch Online-Überwachung des virusinduzierten zytopathischen Effekts (CPE) mittels Impedanzspektroskopie aufgebaut werden. Ein mögliches Anwendungsgebiet ist die automatische Validierung von Impfstoffen mittels Überwachung der Hemmung des CPE in Gegenwart von neutralisierenden Antikörpern.

Die Testanlage befindet sich bereits seit mehreren Monaten im Einsatz und steht für die Entwicklung kundenspezifischer Druckprozesse zur Verfügung. Das Projekt selbst ist bis Ende 2017 angelegt.

Der Fortschritt im ersten Jahr ist bereits bemerkenswert und es zeigt, welches Potential unter anderem auch das vielgepriesene Wundermaterial Graphen bietet.
Foto: Mareike Scholze; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Der Artikel wurde geschrieben von Mareike Scholze.
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