Transistoren aus kleinsten Drähten sollen verlässliche Verbindungen zwischen Körper und Elektronik herstellen.
Wissenschaftler an der Harvard University haben biokompatible Transistoren im Nanometer-Bereich entwickelt, die sich zum Bau hochpräziser elektrischer und chemischer Messgeräte im Körper eignen. Die Biosonden sind deutlich empfindlicher als die passiven Elektroden, mit denen bislang zur Untersuchung interzellulärer Prozesse experimentiert wird.
Die Forschergruppe um den Chemieprofessor Charles Lieber entwickelt derzeit bioelektronische Komponenten, die die Vorteile der neuen Transistoren nutzen sollen – darunter die Möglichkeit, elektrische Signale aus Zellen nicht nur zu empfangen, sondern auch direkt in Zellen zu senden. Die auf Silizium-Nanodrähten aufbauenden Sonden lassen sich in großen Arrays gruppieren. So soll es möglich werden, ein klares Bild des biochemischen und elektrischen Netzwerks zu erhalten, das Zellen in Gewebe bilden.
Konventionelle Elektroden aus Metall wurden zwar bereits genutzt, um elektrische und chemische Messwerte im zellulären Apparat zu nehmen, sind aber invasiv und bieten nur dann eine ordentliche elektrische Leistung, wenn sie im Vergleich zu den Zellen selbst recht groß sind. Ebenso unschön: Das umgebende Gewebe wird gereizt, zudem lässt sich das Signal weder verstärken noch direkt verarbeiten. Für neuronale Prothesen eigenen sich Elektroden deshalb nur ansatzweise, weil die Verbindung zum Nervensystem auf der Ebene einzelner Zellen nicht besonders stabil ist – dabei verarbeitet der Körper Informationen genau so.
Die Zellsonden der Harvard-Forscher bestehen aus dreidimensionalen, V-förmigen Silizium-Nanodrähten, auf deren Spitzen Transistoren sitzen. Sie sind flexibel und mit zwei Schichten aus Lipidmolekülen überzogen – genauso wie die Zellen selbst. Wenn eine Transistorenspitze, die gerade einmal virengroß ist, auf eine Zelle trifft, zieht die Zelle sie ins Innere. Liebers Gruppe fand heraus, dass sich die Spitzen genauso leicht wieder entfernen lassen – und zwar ohne Schäden. Nachdem es gelungen war, die Aktivitäten einzelner Zellen zu beobachten, konnten die Forscher zuletzt auch die elektrische Aktivität in Zellgruppen messen, die zusammen ein Gewebestück bildeten.
Lieber stellt in einem dreistufigen Prozess Millionen freistehender Nanodrähte gleichzeitig her. Zunächst lässt er den Arm des V wachsen – aus einem siliziumhaltigen Gas. Dann erzeugt er mit einer speziellen Technik, die er im vergangenen Jahr entwickelt hat, einen "Knick" im Draht. Dieser wird chemisch so behandelt, dass er zum Transistor wird. Anschließend lässt Lieber den Nanodraht weiter wachsen. Das fertige Gebilde biegt sich am Knick um 60 Grad. Elektrische Kontakte lassen sich anschließend auf einer Anzahl verschiedener Substrate an den Ärmchen des V etablieren. So ergibt sich eine dreidimensionale elektronische Sonde aus Nanodrähten.
"Wir könnten uns Vorstellen, dass die Technik für Langzeitstudien des Nervensystems genutzt wird – und zwar sehr, sehr detailliert", sagt Lieber. Auch die Wirksamkeit von Wirkstoffen lasse sich theoretisch auf Zellbasis untersuchen – etwa bei Herzmedikamenten.
Transistoren aus Silizium-Nanodrähten wurden bereits als chemische Sensoren genutzt – ihr Widerstand verändert sich messbar, sobald Biomoleküle wie mRNA oder Proteine auf der Oberfläche andocken. Lieber interessiert sich dafür, diese Technik für seine Biosonden zu nutzen.
Das Harvard-Team arbeitet außerdem mit einer Gruppe am MIT zusammen, die die Nanodrähte in medizinische Komponenten für neuronale Apparate einbauen will. Dazu gehören auch Gerüste, auf denen künstliches Gewebe wächst. Die Idee: Die Transistoren könnten verwendet werden, um elektrische Signale zu messen oder auf Signale zu reagieren, die Herz und Gehirn aussenden. Das wäre etwa für gut funktionierende Prothesen hilfreich.
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