Ein neuartiger Biosensor aus Seide und Metamaterialien soll Ärzte in einigen Jahren alarmieren können, sobald sich im Körper Krankheitsanzeichen regen.
Seide und Gold, Materialien, die man eher aus der Mode denn aus der Medizin kennt, könnten in einigen Jahren zu den Hauptbestandteilen eines neuen, implantierbaren Biosensors werden, an dem US-Forscher gerade arbeiten. Dazu hat ein Team der Tufts University eine kleine Antenne gebaut, die aus einem Seidenfilm und Gold mit mikroskopischer Musterung besteht. Die Komponente soll spezifische Proteine und Chemikalien im Körper erkennen können und diese Informationen dann drahtlos weiterleiten. Ein mögliches Einsatzfeld wären etwa Blutzuckermessgeräte für Diabeteskranke, die sich dann nicht mehr täglich selbst testen müssten.
Fiorenzo Omenetto, Tufts-Professor für Biomedizintechnik, hält Seide für eine natürliche Plattform medizinischer Implantate: Das Material sei biokompatibel und trotz seiner filigranen Eigenschaften und seiner Biegsamkeit härter als Kevlar. Im Körper implantiert, könne Seide sich an jede Gewebeoberfläche anpassen und im Gegensatz zu konventionellen Implantaten aus Polymeren ohne Nebenwirkungen auf längere Zeit verbleiben. Omenetto hat diese Eigenschaften bereits genutzt, um kleine Elektronikbauteile mit Transistoren und flexible Netzgewebe für Elektroden zu schaffen.
Nun erforscht Omenetto die Kombination von Seide mit Metamaterialien – Metallen wie Gold, Kupfer und Silber, die auf Mikro- oder Nanoebene verändert wurden, um elektromagnetische Eigenschaften zu erhalten, die in der Natur normalerweise nicht vorkommen. Forscher haben mit Hilfe der Technik bereits Prototypen von "Tarnkappen" geschaffen, bei denen Metalle das Licht so um ein Objekt herumlenken, dass es zumindest in einigen Spektren nicht mehr sichtbar ist.
Omenetto und sein Kollege Richard Averitt, Dozent für Physik an der Boston University, nutzen nun ähnliche Prinzipien, um eigenständige Metamaterialien zu schaffen. Sie reagieren nicht auf sichtbares Licht, sondern auf Frequenzen weiter unten im elektromagnetischen Spektrum – im Terahertz-Bereich, um genau zu sein. Passenderweise reagieren Proteine, Enzyme und andere im Körper vorhandene Stoffe auf solche Frequenzen gut. Laut Averitt hat jede dieser biologischen Komponenten eine eigene Terahertz-"Signatur".
DIe Terahertz-Forschung ist ein aktuell schnell wachsendes Wissenschaftsgebiet. Verschiedene Universitätsgruppen suchen derzeit nach den "T-Ray"-Signaturen unterschiedlicher Proteine. Eine Antenne aus Seide und Metamaterialien könnte deren Signale dann in einigen Jahren direkt im Körper auffangen und sie drahtlos an einen Computer weiterleiten, um chemische Niveaus zu überwachen und so Krankheiten frühzeitig zu erkennen.
Um das Empfangsteil einer solchen Antenne herzustellen, schuf das Forscherteam um Omenetto zunächst ein biokompatibles Fundament. Dazu wurde Seide in einem Spezialverfahren "eingekocht" und die flüssige Lösung dann in einen Quadratzentimeter-großen Film gegossen. Anschließend wurde Gold auf den Seidenfilm gesprüht, wobei eine extrem filigrane Schablone genutzt wurde, um verschiedene Muster auf dem Film zu erzeugen. Jedes Segment des Films reagiert auf einen anderen Terahertz-Frequenzbereich – abhängig von der Form des Goldmusters. Das Team wickelte den gemusterten Film anschließend um eine Kapsel, um eine Antennenstruktur zu bilden.
Zum Test der Leistungsfähigkeit des so entstandenen Bauteils setzten Omenetto und Averitt es Terahertzstrahlen aus – und bewiesen so, dass sich das passende Resonanzverhalten in den gewünschten Frequenzbereichen ergab. In einem zweiten Schritt vergruben die Forscher die Antenne unter mehreren Schichten Muskelfleisch eines Schweins ein und konnten dennoch ein Terahertzsignal detektieren.
"Wir werden als Nächstes versuchen, Signaturen zu erkennen und die Antenne dazu mit geeigneten Stoffen in Kontakt bringen, beispielsweise Glucose", sagt Omenetto. Anschließend will das Team das Verfahren erneut wissenschaftlich bestätigen und "aus dem Resonanzverhalten auch eine Bedeutung ablesen".
Rajesh Naik vom materialwissenschaftlichen Labor der US-Luftwaffe sieht bereits interessante praktische Anwendungsmöglichkeiten: "Proteine und andere Moleküle könnten in dem Seidenfilm eingefangen werden, um chemische Reaktionen am lebenden Objekt zu untersuchen." Ähnliche Detektorstrukturen ließen sich auch auf Polymere aufbringen, doch Seide habe eben den Vorteil, dass sie biokompatibel sei.
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