Im Projekt Sense-U entwickeln Ulmer Wissenschaftler um Juniorprofessor Steffen Strehle mithilfe von halbleitenden Nanostrukturen innovative Sensorsysteme. Die extrem kleinen Sensorelemente im Nanometerbereich (ein Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter) sollen vielseitige biochemische Analysen möglich machen. Unter anderem können sie minimalinvasiv wie eine Nadel in lebende Zellen eingeführt werden. So erhoffen sich die Ulmer Forscher zum einen neue Erkenntnisse in der Zellbiologie. Zum anderen könnte die Krankheitsfrüherkennung dank der Sensorsysteme verbessert werden. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt für vier Jahre mit 1,8 Millionen Euro.
Wenn Forscher intrazelluläre Prozesse untersuchen, müssen sie oft relativ große Sonden verwenden. Diese Sonden können biochemische Vorgänge in Zellen nachhaltig beeinträchtigen. Mit extrem kleinen halbleitenden Nanostrukturen, die als aktive Bio-Sensoren in Zellen eingebracht werden, wollen die Ulmer Wissenschaftler ungeahnte Analysen ermöglichen.
Steffen Strehle erklärt das zugrunde liegende Prinzip: „Bei halbleitenden Nanostrukturen reicht oft die Anlagerung weniger Moleküle an der Oberfläche aus, um die elektrische Leitfähigkeit der Struktur deutlich zu ändern. Ist es durch entsprechende Oberflächeneigenschaften nur bestimmten Molekülen möglich, an der Nanostruktur zu haften, können sie hochempfindlich elektrisch nachgewiesen werden.“
Auf Sensorsysteme übertragen eröffnet dieser Mechanismus verschiedene Anwendungsbereiche: Krankheitsspezifische Biomarker könnten sehr früh aufgespürt werden – noch bevor der Patient erste Symptome bemerkt. Wie beschrieben versetzen die Nanosensoren Forscher zudem in die Lage, biochemische Prozesse in Zellen zu studieren, ohne das komplexe Zusammenspiel nennenswert zu stören. So hat Steffen Strehle gemeinsam mit weiteren Wissenschaftlern den „Herzschlag“ einer einzelnen Herzmuskelzelle intrazellulär aufgezeichnet.
Gesamte Entwicklungskette für Nanosensoren an der Uni Ulm
„Nanosysteme wie diese neuen Sensoren besitzen ein interessantes und vielseitiges Einsatz-Potential. Allerdings kommen aussichtsreiche Laborversuche leider allzu oft nicht in den Anwendungsbereich“, erklärt Steffen Strehle seine Motivation zu Sense-U. In einer interdisziplinären Gruppe aus Ingenieuren sowie verschiedenen Naturwissenschaftlern will der Forscher vom Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen Errungenschaften der Grundlagenforschung möglichst schnell in die Praxis überführen.
Die gesamte Entwicklungskette der Nanosensoren soll an der Universität Ulm stattfinden - von der Materialsynthese über die System-Integration im Reinraum bis hin zur Übertragung in die Anwendung. Wichtige Partner sind dabei Professor Boris Mizaikoff und Dr. Christine Kranz (Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie) sowie Professorin Anita Marchfelder vom Institut für Molekulare Botanik. Unterstützung aus der Industrie erhält Strehle durch die Unternehmen Bruker und Cetoni.
Steffen Strehle hat sich im BMBF-Wettbewerb „NanoMatFutur 2011“ gegen zahlreiche Kollegen durchgesetzt. Deshalb fördert das Ministerium seit November 2012 Sense-U auf Basis des Programms „Werkstoffinnovationen für die Industrie und Gesellschaft“ (WING), das zur High-Tech-Strategie 2020 gehört.
Nach Ablauf der vierjährigen Projektzeit plant der Ingenieur Strehle, erste Prototypen für die Bio- und Umweltanalytik sowie für die medizinische Diagnostik vorzustellen. Daraufhin sollen die Sensorsysteme in einer weiteren Forschungsphase verbessert und ihr Anwendungsbereich erweitert werden. „Die Nanostruktur als Funktionselement kann ausgetauscht werden – so werden die Sensoren vielseitig einsetzbar“, sagt Strehle.
„Insgesamt sollen aus dem Forschungsvorhaben nicht nur neue Erkenntnisse zur Herstellung von Nanosystemen, sondern insbesondere auch weitere Ansätze für Schnittstellen zwischen biologischen und technischen Systemen hervorgehen.“
Juniorprofessor Steffen Strehle (Jahrgang 1979) hat an der Westsächsischen Hochschule Zwickau Physikalische Technik studiert. An der Technischen Universität Dresden wurde er 2006 zum Dr.-Ing. auf dem Gebiet der Werkstoffwissenschaften promoviert. Seinen Forschungsschwerpunkt „funktionelle Nanosysteme“ hat er insbesondere bei einem Forschungsaufenthalt an der Harvard University (USA) vertieft. Gemeinsam mit anderen Wissenschaftlern ist Strehle an einer Patentanmeldung in diesem Bereich beteiligt. Seit Dezember 2011 ist der Ingenieur Juniorprofessor am Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen der Universität Ulm.
Verantwortlich: Annika Bingmann
Foto (Uni Ulm, S. Jäger): Silizium-Nanodrähte: 500 Mal dünner als ein Haar