Verknüpfung von Elektronik und biologischem Gewebe
Angesichts der enormen Fortschritte bei miniaturisierten Elektroniksystemen und immer neuen Erkenntnissen in der Hirnforschung ist es nur eine Frage der Zeit, bis beide Fachbereiche zusammenwachsen. „Die nahtlose Integration von Elektronikkomponenten in lebende Systeme (Bioelektronik) wird nicht nur die biologische Grundlagenforschung erweitern, sondern auch die medizinische Diagnostik und Therapeutik neu definieren“, sagt Juan Liu, der mit einem Marie Skłodowska-Curie-Stipendium an der Universität Oxford forscht. Die größte Hürde besteht darin, dass bioelektronische Systeme bislang aus rigiden, trockenen Elektronikkomponenten bestehen und keine biologische Eigenschaften aufweisen. „Bei der Entwicklung bioelektronischer Geräte stellen vor allem die Unterschiede zwischen biologischem Gewebe und künstlicher Elektronik ein enormes Hindernis dar“, fügt Liu hinzu. Unterstützt durch das EU-finanzierte Projekt ENERGSYNTISSUE will Liu nun dazu beitragen, diese Lücke zwischen Biologie und Elektronik zu schließen.
Einsatz von Tropfennetzwerken
Laut Liu unterscheidet sich biologisches Gewebe von künstlicher Elektronik in einer ganzen Reihe von Aspekten. So besteht natives Gewebe aus Zellen, die wiederum in eine extrazelluläre Matrix eingebettet sind. Da die Art der Zellen und Eigenschaften der extrazellulären Matrix organspezifisch sind, sind auch deren Steifigkeit, Topographie und Komplexität deutlich verschieden. Zudem beruht die Informationsübertragung bei künstlichen elektronischen Systemen auf Elektronen, bei bioelektrischen Prozessen im menschlichen Körper jedoch auf Ionen. „Um diese Unterschiede auszugleichen, müssen bioelektronische künstliche Systeme wie biologische Abläufe funktionieren, sodass die künstlichen Systeme mit lebendem Gewebe und Organen zusammenwirken können“, erklärt Liu. Eine mögliche Strategie wäre hier die Verwendung synthetischer Gewebe aus Tropfennetzwerken, deren wässrige Kompartimente durch Lipiddoppelschichten getrennt sind. „Von allen synthetischen Materialien sind Tropfennetzwerke natürlichem Gewebe am ähnlichsten, insbesondere im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften“, ergänzt Liu. In solchen Geweben fungiert jedes Tröpfchen wie eine vereinfachte Zelle, damit intern Informationen zwischen diesen Kompartimenten und der äußeren Umgebung ausgetauscht werden können. „Werden in die Kompartimente beispielsweise Enzyme eingekapselt, können die synthetischen Zellen biologische Signale empfangen und verarbeiten“, erklärt Liu.
Künstliche Gewebe zur Energieerzeugung
Liu konnte gewebeähnliche elektronische Komponenten entwickeln, die Energie produzieren, indem er die Fortschritte bei synthetischen Zellen aus Tropfennetzwerken kombinierte. „Damit haben wir die erste nachhaltige biologische Batterie auf Basis von Tropfennetzwerken konzipiert und konstruiert, in denen biologische Komponenten mit elektrischen Schaltkreisen und elektronischen Funktionen zusammengeführt wurden“, erklärt Liu. Zudem demonstrierte Liu, dass die beiden enzymatischen Reaktionen, die in den einzelnen Tropfen stattfinden, eine Stromstärke im Nanoampere-Bereich (nA) und eine Spannung von 720 Millivolt (mV) erzeugen. Die einfachste Batterie besteht aus nur zwei Tropfen und ist nicht größer als 480 × 680 μm2. Zudem kann mit der zwischen zwei separaten Tropfen erzeugten Spannung die Bewegungsrichtung von Molekülen gesteuert werden, sodass orthogonale und komplexe Signale in synthetischem Gewebe erzeugt und damit die Komplexität und Funktion des Systems erhöht werden kann. „Unsere Tropfenbatterie erzeugt ionische sowie elektrische Stromflüsse und könnte künftig auch elektrische Signale entsprechend den Umgebungsbedingungen generieren, z. B. Temperatur oder Konzentration von Nikotinamid-Adenin-Dinucleotid-Hydrid NADH“, sagt Liu. Laut Liu wird die bahnbrechende Forschung Möglichkeiten eröffnen, die Lücke zwischen biologischen Prozessen und konventioneller Elektronik zu schließen. „Damit ebnen wir den Weg für neue diagnostische und therapeutische Strategien gegen zahlreiche Krankheiten wie Herz-Kreislauf- und neurodegenerative Erkrankungen, Erblindung, Krebs, Diabetes oder Asthma“, schließt Liu.
Schlüsselbegriffe
ENERGSYNTISSUE, Elektronik, biologische Gewebe, Tropfennetzwerke, synthetische Gewebe, Bioelektronik, extrazelluläre Matrix, Biologie, biologische Batterie
