Anwendungen im Bereich Biohybrid Systems

Am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) werden im Bereich Biohybrid Systems miniaturisierte Biosensoren entwickelt, die Anwendungen in verschiedenen Bereichen der klinischen Diagnostik, der Biotechnologie, der Lebensmittel- und Umweltanalytik finden.

In den vergangen Jahren wurde zum Beispiel erfolgreich ein Multisensor-System zur kontinuierlichen, in-situ Überwachung von Bioprozessen in Bioreaktoren entwickelt. Auf einem nur 7 x 7 mm² großen Chip befindet sich Sensoren zur Messung der Glukose- und Laktat-Konzentrationen, der Zelldichte und des pH-Wertes. Diese Einchip-Lösung bietet gegenüber bisherigen Sensorsystemen für Anwendungen in Bioreaktoren entscheidende Vorteile. Zum einen ist diese auf Grund des multisensorischen Ansatzes deutlich platzsparender und zum anderen entfällt die bisher oft umständliche Probenentnahme zur Messung bestimmter Parameter. Mittels post-CMOS Fertigungsverfahren ist es zudem möglich, den Multisensor-Chip auf CMOS-Chips herzustellen und somit, um eine Schaltung zur Signalverarbeitung und Datenübertragung zu erweitern. Des Weiteren ist es möglich, die Spezifikationen des Glukose- und Laktat-Biosensors zum Beispiel ihre Sensitivität an die gewünschten Zielapplikation individuell anzupassen. Dadurch lassen sich biotechnologische Produkte zum Beispiel Zellkulturen, Gewebe, oder Antikörpern effizienter herstellen.

Ein weiteres Beispiel einer erfolgreichen Anwendung, die in Kooperation mit verschieden Projektpartnern am Fraunhofer IMS realisiert wurde, ist ein massesensitiver, mikroelektromechanisches System (MEMS)-basierter Biosensor für den schnellen, einfachen und kostengünstigen Point-of-Care (PoC) Nachweis des humanen Respiratorischen Synzytial-Virus (RSV) bei Neugeborenen. Der Sensor basiert auf der Analyse der Schwingung einer flexiblen Membran (im engl., flexural plate wave (FPW)-Sensor), deren Eigenfrequenz sich durch die Anbindung von Biomolekülen auf der Sensoroberfläche ändern. Ohne aufwendige Aufbereitung und Analyse der Proben in speziellen Laboren erlaubt der MEMS-Biosensor den sensitiven Vor-Ort-Nachweis einer RSV-Infektion. Dies ist insbesondere für die Anwendung in Krankenhäusern und Arztpraxen gedacht. Der behandelnde Arzt kann durch das PoC Testsystem den RSV-Erreger mit nur wenigen Arbeitsschritten schnell identifizieren und frühzeitig die entsprechenden therapeutischen Maßnahmen einleiten. So können schwere Krankheitsverlaufe mit zum Teil bleibenden Schäden und langen Krankenhausaufenthalte vermieden werden.