Labor auf Chip
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21.09.2016 Seite 254 0

Mikro- und Nanosysteme

Die Mikrosystemtechnologie hat sich im neuen Jahrhundert als die Schlüsselindustrie herauskristallisiert in der Deutschland eine führende Rolle spielt. Nahezu alle Industriezweige verwenden diese Technologie, wobei die Produkte vom Automobil bis hin zum Handy reichen. Jetzt beginnt diese Technologie auch die Lebenswissenschaften und Medizin verstärkt zu erobern. Von Biosensoren, Monitoringsystemen, physikalischen Mikrosensoren, Lab-on-Chip Systemen bis hin zu implantierbaren Mikrosystemen reichen die potentiellen Anwendungsfelder. Es wird erwartet, dass durch die personalisierte Medizin kleine dezentralisierte Diagnostikinstrumente vom Home Care Markt bis hin zur Klinik breite Verwendung finden werden.

Aber die Mikrosystemtechnik leistet nicht nur in der Diagnostik wertvolle Dienste, sondern auch in der die Therapie. Miniaturisierte Medikamentendosierung oder funktionelle Elektrostimulation können verlorene physiologische Funktionen wiederherstellen. Durch direkte Verbindung von miniaturisierter Diagnostik und Therapie können vollkommen neuartige Systeme realisiert werden, die als theranostische Instrumente bezeichnet werden. Ein prominentes Beispiel stellt der Herzschrittmacher dar, der sensorische und therapeutische Funktionen mit intelligenter Datenauswertung in implantierbarer Form beinhaltet.

Auch die demographische Bevölkerungsentwicklung hin zur alternden Gesellschaft erfordert miniaturisierte dezentrale Hilfen für die Bewältigung des Alltages der Senioren. Die Umschichtung der Bevölkerungspyramide macht aber immer mehr chirurgisch-restaurative und rekonstruktive Maßnahmen erforderlich. Hier wird in der Verbindung technisch-rekonstruktiver mit biologisch-restaurativen Technologien eines der größten Zukunftsfelder der Medizintechnik gesehen. Die Erweiterung der Mikrosystemtechnik hin zur Nanosystemtechnik in Verbindung mit neuartigen biologischen Techniken wie des "Tissue engineerings" oder der Stammzellentherapie wird eine Revolution auf der Nanoebene in Diagnostik und Therapie hervorrufen.

Allerdings benötigt es hier neuartige Nanobiosensoren und nanotherapeutische Instrumente wie Nano-Medikamentendosierung z.B. für gezielt einsetzbare Cytostatika.

Um dieses Ziel zu erreichen sind aber noch große Hürden zu überwinden - so ist das Gebiet der Biokompatibilität und Nanotoxizität noch weitgehend ungelöst sowohl wenn es um größere, für Implantate erforderliche Zeiträume geht als auch für kurzzeitig eingesetzte Nanotherapien. Hier existieren nur Insellösungen.

Dennoch ist die Verbindung technologischer mit biologischer Nanotechnologie die große Herausforderung und Versprechung dieses Jahrhunderts. Mit diesen Technologien sollen in der Systembiologie wie synthetischer Biologie ein grundlegendes Verständnis von Systemerkrankungen erhalten werden wie auch durch dieses Wissen deren Heilung.

Der Schwerpunkt des Fachausschusses besteht in der Erweiterung des Einsatzes von Mikrosystemen hin zu medizinisch real einsetzbaren Systemen. Hierbei wird eine verstärkte Einbindung von Medizinern, insbesondere Chirurgen, angestrebt. Eine Spezialität des FA ist die Etablierung von Kontakten zu Chirurgische Fachgesellschaften durch Aufnahme von Medizinern in die Leitungsebene. Weiters wird die Ausweitung der Mikrosystemtechnik in Richtung Nanosystemtechnik angestrebt, wobei hier auf Nanoebene eine Brücke zwischen Biowissenschaften und Medizin geschlagen werden kann.

Als konkreten Schwerpunkt wird die Mikro- und Nanosensorik gesehen mit dem Zukunftsfokus des Einsatzes von Chemo-und Biosensorsystemen in der Medizin. Dies beinhaltet die Entwicklung von mikrofluidischen Lab-on-Chip Systemen für die in-vitro wie ex-vivo Diagnostik und integrierte Biosensorarrays für die implantierbare Sensorik. Aufsetzend auf diese Technologien wird auch die mikrofluidische Medikamentendosierung als Schwerpunkt gesehen.

Folgende Aufgaben werden adressiert:

  • Veranstaltung von Workshops und Konferenzen mit VDE DGBMT und anderen Fachausschüssen (Neuroprothetik, Patientenüberwachung, Biosignalverarbeitung, Nanobioengineering, magnetische Methoden in der Medizin)
  • Anbieten von technologischer Infrastruktur
  • Initiierung gemeinsamer Projekte (z.B. Chemo- und Biosensorik in der Medizin, Intelligente Implantate, implantierbare Sensoren, Biokompatibilität
  • thematische Schwerpunktbildung DFG - BMBF - Medizintechnik
  • Initiierung neuer BMBF Themen auf den Gebieten neue Technologien, MST Life Science, Lebenswissenschaften AAL, Gesundheitsforschung und Biomedizinische Forschung, NanoMolekulare Bildgebung, Nanobiotechnologie (Nanoforlife).

Kontakt

Prof. Dr. Gerald A. Urban
Dr. med Hendrik Kohlhof
Univ.-Prof. Dr. med Frank T. Hufert

Mittels Mikro- und Nanotechnologien sollen neue, in der Medizin routinemäßig einsetzbare autarke diagnostische wie therapeutische Systeme entwickelt und validiert werden. Dabei ist die Vision, eine intime Verbindung diagnostischer wie therapeutischer Funktonen zu einem theranostischem Gesamtsystem herzustellen. Diese Systeme sind als Fernziel für Stammzelldifferenzierung ebenso einsetzbar wie als implantierbares theranostisches System am Patienten.

Mikrosystem-Tools Theranostik

Technologische Zielstellungen, die vom Fachausschuss verfolgt werden, sind:

  • Entwicklung verteilter integrierter portabler energieautarker Mikrosysteme
  • Implantierbare Chemo- und Biosensoren
  • Hochparalleler Einsatz hochminiaturisierter Sensoren zur Messung von Druck- und Beschleunigung
  • 4D Multimodales Multiparameter-Monitoring („von der Zelle zum Patienten“)
  • Mikro-Theranostik – Unmittelbare Verbindung von Diagnostik mit Therapie
  • Verbindung von zellulären Biowissenschaften mit der Biomedizintechnik

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