Rolle zu Rolle Druck mikrostrukturierter biokompatibler Multischichten aus Graphen und Proteinen für biomedizinische Anwendungen (MERANET-BIOGRAPHY)

Forschungsziel: Ziel des Verbundprojekts M-era.Net BIOGRAPHY war die Entwicklung einer innovativen Graphen-Tinte. Diese kann mittels eines neuartigen Druckverfahrens auf Kunststofffolien industriell zu Biosensoren verarbeitet werden. Durch diese innovative Produktionsanlage wurde es möglich, mikrostrukturierte Biosensoren zuverlässig und automatisiert zu drucken. Neben der Impfstoffvalidierung können sich für diese Biosensoren weitere Anwendungsfelder ergeben, beispielsweise in der Entwicklung neuartiger Medikamente und Diagnoseverfahren.

Detaillierte Projektbeschreibung

Problemstellung Biosensoren sind für den Einsatz in der Medizin und der Umwelttechnik zunehmend relevant, um beispielsweise neue Medikamente einfach und zuverlässig zu testen oder das Zellwachstum in veränderten Umweltbedingungen schnell erkennen zu können. Die Funktionalität der Biosensoren basiert auf Elektroden, auf die Proteine aufgebracht sind, die sich abhängig von der Messaufgabe verändern und Signale an diese Elektroden abgeben. Aufgrund seiner katalytischen Aktivität, Leitfähigkeit, Biokompatibilität und Transparenz ist Graphen für viele Biosensoren das ideale Elektrodenmaterial. Um Biosensoren industriell mit diesem neuartigen Werkstoff mittels Druckverfahren herstellen zu können, wurden Methoden für die zuverlässige und automatisierte Produktion von Elektrodenstrukturen und deren Beschichtung entwickelt. Ziel Ziel des Verbundprojekts M-era.Net BIOGRAPHY war die Entwicklung einer innovativen Graphen-Tinte. Diese kann mittels eines neuartigen Druckverfahrens auf Kunststofffolien industriell zu Biosensoren verarbeitet werden. Vorgehensweise Zunächst wurde eine Graphen-Tinte entwickelt und auf ihre Biokompatibilität, Leitfähigkeit und Druckbarkeit hin getestet. Für die benötigten Druckzylinder wurde eine Mikro-Gravuranlage erarbeitet, bei der ein speziell fokussierter Ultrakurzpulslaser und neuartige Oberflächenbeschichtungen zum Einsatz kamen. Zur Sensorherstellung wurde dieser Druckzylinder in eine Rolle-zu-Rolle-Druckanlage integriert. Die auf diese Weise hergestellten Biosensoren wurden auf ihre Eignung und Zuverlässigkeit in einer automatisierten Prüfung von Impfstoffen getestet. Anwendungspotenzial Durch diese innovative Produktionsanlage wurde es möglich, mikrostrukturierte Biosensoren zuverlässig und automatisiert zu drucken. Neben der Impfstoffvalidierung können sich für diese Biosensoren weitere Anwendungsfelder ergeben, beispielsweise in der Entwicklung neuartiger Medikamente und Diagnoseverfahren. Im transnationalen Förderprojekt M-era.Net BIOGRAPHY arbeiteten vier Forschergruppen aus Deutschland mit einer Forschergruppe aus Großbritannien zusammen. Diese Kooperation mit dem ausländischen Partner war essentiell, da dadurch die benötigte Expertise bei der Entwicklung einer neuen Graphen-Tinte den deutschen Partnern zur Verfügung gestellt wurde.

Projektpartner

AiCuris GmbH & Co. KG
cellasys GmbH
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
Matthews International GmbH

Publikationen

Titel: Roll-to-roll printing of microstructured biocompatible graphene and protein multilayers for biomedical applications (BIOGRAPHY)

Akronym: BIOGRAPHY

Autor: Velten, T. (Hrsg)

Herausgeber: Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT, St. Ingbert

Verlag: Fraunhofer-Publica Fraunhofer-Publica

Veröffentlicht im Jahr: 2018

Internet: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-503293.html

Zellbasierte Assays sind von enormer Bedeutung in den Bereichen der antiviralen Wirkstoffforschung und der Erforschung von Impfstoffen gegen Virusinfektionen. Daher gehören die Bestimmung des virusinduzierten cytopathischen Effekts (CPE) bzw. der Hemmung des CPE durch neutralisierende Antikörper oder antivirale Wirkstoffe zu den üblicherweise eingesetzten Methoden. Mit kommerziellen Plattformen im Well-Plate-Format ist bereits gezeigt, dass die Impedanzspektroskopie prinzipiell anwendbar ist für die genannten Anwendungen. Ziel war es, hierfür kostengünstige Sensorsysteme für Anwendungen in antiviralen Drogentests und Toxizitätstests zu drucken. Graphen wurde wegen seiner Biokompatibilität und elektrischen Leitfähigkeit als Material für die gedruckten Elektroden verwendet. Adhäsionsproteine wurden auf die Graphenstrukturen gedruckt, um die Zelladhäsion an den Elektroden zu verbessern und die Empfindlichkeit von Impedanzmessungen zu erhöhen. Die bedruckten Folien werden dann mit bodenlosen Mikrotiterplatten verklebt. Ein kompaktes Zweifarbendrucksystem wurde entwickelt. Um beide Drucke aufeinander abzustimmen, können die Druckwerke seitlich und entlang der Druckrichtung eingestellt werden. Nach dem Drucken wurden die gedruckten Sensorstrukturen vereinzelt und unter Verwendung von doppelseitigem Klebeband mit bodenlosen Mikrotiterplatten verbunden. Diese Systeme wurden in Experimenten verwendet, um die Eignung der gedruckten Mehrfachschicht für zwei verschiedene Biosensoranwendungen nachzuweisen. Es konnte gezeigt werden, dass eine Online-Überwachung des viralen Effekts auf die Zellkultur und eine Online-Überwachung der Hemmung des virusinduzierten zytopathischen Effekts durch antivirale Substanzen mit Hilfe der entwickelten Sensoren möglich ist. Die Nutzung der entwickelten Druckmaschine und der entwickelten Druck- und Beschichtungsprozesse ist in verschiedenen Bereichen der Biotechnologie möglich, um kostengünstige und damit wettbewerbsfähige Produkte herzustellen. Die entwickelten impedimetrischen Biosensoren im Multiwell-Plattenformat können für viele verschiedene Anwendungen eingesetzt werden. Die Abschlussveröffentlichung ist in englischer Sprache verfasst.

Rolle zu Rolle Druck mikrostrukturierter biokompatibler Multischichten aus Graphen und Proteinen für biomedizinische Anwendungen (MERANET-BIOGRAPHY)

Ansprechperson Projektkoordination

Ansprechperson bei PTKA

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