Sensoren aus bioinspirierten Nanoporen

Darmstadt, 27. September 2019. Ein interdisziplinäres Team der TU Darmstadt entwickelt eine neue Generation von Sensoren: Auf einem Mikrochip können sie bestimmte Substanzen direkt vor Ort im Körper detektieren. Das System basiert auf bioinspirierten Nanoporen.

Die Natur ist eine gute Inspirationsquelle. Auch für eine neue Generation von Sensoren, die hochempfindlicher und leistungsfähiger sein sollen als die bisherigen Sensoren. Entwickelt werden sie von den Professoren Wolfgang Ensinger und Helmut Schlaak von der TU Darmstadt und einem Team aus Chemikern, Materialwissenschaftlern und Elektrotechnikern im Rahmen des LOEWE Schwerpunkts iNAPO. Ensinger ist Professor für Materialwissenschaften, Schlaak für Elektrotechnik und Informationstechnologie.
Die von Ensinger konzipierten Sensoren basieren auf synthetischen Nanoporen. In einen Mikrochip eingebaut, können solche Systeme helfen, Krankheiten besser zu diagnostizieren und giftige Stoffe in Lebensmitteln oder im Wasser aufzuspüren. Maßgenommen haben die beiden Professoren und ihr Team, zu dem auch die Chemikerin Ivana Duznovic und der Elektrotechniker Mario El Khoury gehören, an biologischen Nanoporen. Diese Nanoporen transportieren Moleküle sehr selektiv in die Zelle hinein oder heraus. Es ist Ensinger und Duznovic gelungen, synthetische Nanoporen derart zu funktionalisieren, dass sie einzelne Substanzen ganz gezielt nachweisen können.
Eine davon ist Histamin, eine Verbindung, die bei allergischen Reaktionen eine Rolle spielt und möglicherweise auch bei der Alzheimer Demenz. Der Nachweis erfolgt über eine Verdrängungsreaktion in den synthetischen Nanoporen und wird über einem Stromabfall gemessen. Für die Entwicklung eines „Lab-on-a-Chip System“ sind Helmut Schlaak und Mario El Khoury zuständig. Zu den Herausforderungen gehört, die für den Nachweis vorbereitete Nanoporenmembranen in ein mikrofluidisches System zu integrieren, ohne deren Funktion zu beschädigen. Außerdem muss das System geschlossen und gut zu spülen sein, damit es auch mit komplexen Flüssigkeiten wie Blut funktioniert und von den Ärzten tatsächlich für eine Vorort-Messung während der Behandlung genutzt werden kann.
Der Mikrochip muss die Substanzen auch mit hoher Selektivität und Spezifität erkennen. Das ist eine unabdingbare Voraussetzung für die Kommerzialisierung. Ensinger und sein Team sind noch auf der Suche nach interessanten Substanzen für die Medizin. In Frage kommen Verbindungen, von denen bekannt ist, dass sie eine entscheidende Rolle bei der Erkrankung spielen. Nanoporen mit entsprechendem Sensor wären auch zum Nachweis von Medikamenten im Ab- oder Grundwasser geeignet. Viele Medikamente gelangen mit dem Urin in die Umwelt und haben teils gravierende Folgen. Die weiblichen Sexualhormone in der Pille führen zum Beispiel zu Missbildungen im Tierreich. Das Team von Ensinger und Schlaak hat die auf Nanoporen basierten Sensoren national und international patentieren lassen.

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