BioLithoMorphie

BioLithoMorphie bedeutet die Assemblierung biologischen Materials mit Hilfe lithografischer Methoden zur Konstruktion dreidimensionaler biologischer Strukturen bzw. Morphologien. Sie strebt dabei die Übertragung von Fertigungsprinzipien der Mikro- und Nanotechnologie für die Konstruktion von biologischen, dreidimensionalen (3D) Geweben und ihre Untersuchung für Anwendungen in den „Life Sciences“ an.

BioLithoMorphie baut auf der Expertise der Zentren für Innovationskompetenz MacroNano® und B CUBE auf, um ein Alleinstellungsmerkmal im Design echter 3D Strukturen in den „Life Sciences" zu generieren. Ziel ist die deutliche Verbesserung der in vitro Zellkultur mit der Verwertung dieser Resultate in den "Life Sciences" also den Disziplinen im Spannungsfeld zwischen den Gebieten der Biotechnologie und Medizin insbesondere der pharmazeutischen Wirkstoffforschung oder dem Tissue Engineering. Dies gelingt, wenn die korrekte mikro- und makroskopische Architektur eines komplexen Zellverbandes reproduziert werden kann.

Michael Reichel

Projekt-Koordinator:                       PD Dr. Sukhdeep Singh

BioLithoMorphie

Meta ZIK

BioLithoMorphie

Förderung: BMBF - Bundesministerium für Bildung und Forschung

BioLithoMorphie I (FKZ: 03Z1M511) Projektlaufzeit: 01.04.2014 31.05.2015

BioLithoMorphie II (FKZ: 03Z1M512) Projektlaufzeit: 01.10.2015 – 28.02.2019

 

Projekttitel:
Assemblierung biologischen Materials mit Hilfe lithographischer Methoden zur Konstruktion drei dimensionaler biologischer Morphologie

 

 

Projektleiter

Prof. Dr. rer. nat. habil. Andreas Schober
Fachgebietsleiter Nanobiosystemtechnik
TU Ilmenau

Tel.: +49 (0) 3677 69 3387
andreas.schober@tu-ilmenau.de

 

Dr. Yixin Zhang
Junior Research Group Leader
B CUBE Dresden

Tel.: +49 (0) 351 4634 3040
yixin.zhang@bcube-dresden.de

Teilprojekte

FG Nanobiosystemtechnik

Aufbau dreidimensionaler Gewebestrukturen

BioLithoMorphie ist definiert als Methode zur Assemblierung biologischen Materials mit Hilfe der Fertigungsverfahren der Mikro- und Nanotechnologie (z. B. UV-Lithografie).

Moderne Fertigungsverfahren der Mikrosystemtechnik sowie neue Erkenntnisse in den Bereichen der Life Sciences und der Biomaterialien, wie die 3D-Kultivierung von Zellen, bieten neue Möglichkeiten beim Design biologischer Systeme. Dazu ist es notwendig, die Verfahren der Mikro- und Nanotechnologie in die Biologie zu überführen, sodass dreidimensionale Gewebe hergestellt werden können.

Ziel des Teilprojekts ist die Erschließung von Technologien zur Strukturierung, Maskierung und Modifikation von Oberflächen für komplexe Gewebestrukturen. Damit ist es möglich dreidimensionale Gewebestrukturen zu erzeugen, welche auf dünnen, modifizierten Polymerfolien aufbauen.

FG Angwandte Nanophysik

Sensortechnologien basierend auf Nanostrukturen

Das Ziel des Projekts ist es einen hochempfindliche Sensor zu entwickeln, welcher oberflächenverstärkte Ramanstreuung (Engl.: surface-enhanced Raman scattering, SERS) nutzt, um photoschaltbare Biomoleküle zu detektieren.

Diese hochempfindlichen SERS-Sensoren basieren auf klar ausgerichteten Gold- und Silber-Nanopartikelarrays, welche auf einem Substrat mit ultra-dünnen Aluminiumoxid Membranen (UTAM) zur Nanostrukturierung hergestellt werden. In Kooperation mit den Fachgebieten Nanobiosystemtechnik und Elektroniktechnologie wurde das SERS-Substrat in einen Mikrobioreaktor integriert. Dieser Mikrobioreaktor mit SERS-Substrat wird genutzt, um photoschaltbare Biomoleküle zu detektieren (BCUBE Dresden, Dr. Yixin Zhang’s group), außerdem können in situ Untersuchungen und cis-trans-Transformationen von fotoschaltbaren Biomolekülen unter Beleuchtung durchgeführt werden. Weiterhin werden diese auf anodisierten Aluminiumoxid (AAO) Templates basierenden dreidimensionalen Nanostrukturen der integrierten SERS- und elektrochemischen Sensoren entwickelt, um Biomoleküle zu detektieren.

FG Elektroniktechnologie

Trägersubstrate für biologische Morphologien

Ziel des Teilprojekts ist das Design und die Herstellung von LTCC-basierten Trägersubstraten, auf denen dreidimensionale bilologische Morphologien kultiviert werden können.

In Zusammenarbeit mit dem FG 3D Nanostrukturierung werden Substrate entwickelt auf denen sich nanoskalige Goldpartikel befinden. Diese speziellen Trägersubstrate sind für die SERS-Technologie geeignet und ermöglichen es, angereicherte Zellkulturen zu detektieren. Damit können zukünftig, die durch Lithografie entstandenen Zellkulturen sensorisch vermessen und charaktersiert werden.

Zusätzlich zu den SERS-kompatiblen Substraten werden zusammen mit dem BCUBE Dresden Trägersysteme entwickelt, die DNA-Hydrogele als sensorische Schicht benutzen. Die Funktionsweise der DNA-Hydrogele beruht auf deren Widerstandsänderung beim Kontakt mit Proteinlösungen.

Research Group Zhang

Light responsive cell adhesive micro-fluidic systems

Durch die Nutzung einer neuen Arraytechnologie konnte eine große Anzahl von Peptiden geprüft werden, die aus den ECM-Proteinen (z.B. Fibronectin und Laminin) abgeleiteten worden sind. Diese Peptide wurden hinsichtlich ihrer Adhäsion gegenüber neuronaler Vorläuferzellen (NPC) und humaner Endothelzellen aus der Vene der Nabelschnur (HUVEC) untersucht. Aus den Untersuchungen konnte eine Serie von potenten und Zelltyp-spezifischen Sequenzen durch High- Content Screening entdeckt werden, die dazu genutzt werden sollen, photoschaltbare zell-adhäsive mikrofluidische Systeme zu entwickeln. Der Ausbau dieser Screening Technologie bietet darüber hinaus die Möglichkeit der Entwicklung vielfältiger weiterer Anwendungen, von dem Design neuer biologisch aktiver Stoffe bis hin zur Applikationen für die zellbasierte regenerative Medizin. 

Zur Entwicklung von photoschaltbaren zelladhäsiven mikrofluidischen Systemen haben wir unser Konzept, das des “borrowing protein” zum “borrowing surface” Ansatz erweitert. Damit können die biologischen Funktionen mit Hilfe von Licht gesteuert werden; Matrixoberflächen sind größer als Proteinmoleküle und können so den photoschaltbaren Effekt verstärken. Zur Analyse der Photo-Schaltbarkeit werden die Assoziations- und Dissoziationsraten zwischen dem Protein und dem immobilisierten Liganden gemessen. Durch die Variation der Lichtwellenlänge kann zudem das Ausmaß des Effektes der Photo-Schaltbarkeit dosiert werden. Dieser Ansatz könnte auch für die Entwicklung eines photo-schaltbaren Protein-Affinitätschromatographen genutzt werden.

Research Group Schlierf

Bottom-up Synthese und ortsselektive Modifikation von Hydrogelen

Durch die Verwendung einer neuartigen photochemischen Reaktion - einer Zwei-Photonen [2 + 2]-Cycloaddition von Maleimidgruppen, erzeugen wir in einem bottom-up-Prozess Hydrogele auf aktivierten Oberflächen. Der Zwei-Photonen-Prozess ermöglicht eine sub - Mikrometer strukturelle Präzision von Hydrogelfasern und damit eine präzise Kontrolle von Steifigkeit und Struktur. Wir entwickelten ferner eine Methoden um diese Hydrogele mit einer identischen Photochemie mit organischen Molekülen zu modifizieren. Insbesondere entwickeln wir dieses System zu einem zwei oder auch mehrstufigen Protokoll für die Aufnahme von Biomolekülen in Hydrogelen mit Submikrometer Präzision. Im Rahmen diese Teilprojekts entwickeln wir eine Plattform für ortsselektive modifizierte Hydrogele, inklusive Gradienten von Biomolekülen in beliebigen Strukturen.

Publikationen

Journalbeiträge

Yan Mi, Liaoyong Wen, Rui Xu, Zhijie Wang, Dawei Cao, Yaoguo Fang, Yong Lei
Constructing a AZO/TiO2 Core/Shell Nanocone Array with Uniformly Dispersed Au NPs for Enhancing Photoelectrochemical Water Splitting
Advanced Energy Materials, 2015
DOI: 10.1002/aenm.201501496


Zhibing Zhan, Fabian Grote, Zhijie Wang, Rui Xu, Yong Lei
Degenerating Plasmonic Modes to Enhance the Performance of Surface Plasmon Resonance for Application in Solar Energy Conversion
Advanced Energy Materials, 2015
DOI: 10.1002/aenm.201501654


Kai Zhang, Xiaoyong Deng, Qun Fu, Yun Meng, Huaping Zhao, Wenchong Wang, Minghong Wu, Yong Lei
Photolithography Compatible Templated Patterning of Functional Organic Materials in Emulsion
Advanced Science, in press


Qun Fu, Zhibing Zhan, Jinxia Dou, Xianzheng Zheng, Rui Xu, Minghong Wu, Yong Lei
Highly Reproducible and Sensitive SERS Substrates with Ag Inter-Nanoparticle Gaps of 5 nm Fabricated by Ultrathin Aluminum Mask Technique
ACS Applied Materials & Interfaces, vol. 7, issue 24, p. 13322–13328, 2015
DOI: 10.1021/acsami.5b01524


Liying Liang, Yang Xu, Chengliang Wang, Liaoyong Wen, Yaoguo Fang, Yan Mi, Min Zhou, Huaping Zhao, Yong Lei
Large-scale highly ordered Sb nanorod array anodes with high capacity and rate capability for sodium-ion batteries
Energy and Environmental Science,issue 8, p. 2954-2962, 2015
DOI: 10.1039/C5EE00878F


Chengliang Wang, Yang Xu, Yaoguo Fang, Min Zhou, Liying Liang, Sukhdeep Singh, Huaping Zhao, Andreas Schober, Yong Lei
Extended π-Conjugated System for Fast-Charge and -Discharge Sodium-Ion Batteries
Journal of the American Chemical Society, vol. 137, issue 8, p. 3124–3130, 2015
DOI: 10.1021/jacs.5b00336


Fabian Grote, Huaping Zhao, Yong Lei
Self-supported carbon coated TiN nanotube arrays: innovative carbon coating leads to an improved cycling ability for supercapacitor applications
Journal of Physical Chemistry C, vol. 119, issue 28, p. 16331–16337, 2015
DOI: 10.1039/C4TA05905K


Ahmed Al-Haddad, Zhijie Wang, Rui Xu, Haoyuan Qi, Ranjith Vellacheri, Ute Kaiser, and Yong Lei
Dimensional Dependence of Optical Absorption Band Edge of TiO2 Nanotube Arrays beyond Quantum Effect
Journal of Physical Chemistry C, vol. 119, issue 28, p. 16331–16337, 2015
DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b02665


Wieduwild, R.; Krishnan, S.; Chwalek, K.; Boden, A.; Drechsel, D.; Werner, C.; Zhang, Y.:
Non-covalent Matrix Beads as Microcarriers for Cell Culture
Angew. Chem. Int. Ed. Engl., vol. 54. issue 13, p. 3962-3966, 2015


Yan Mi, Liaoyong Wen, Zhijie Wang, Dawei Cao, Yaoguo Fang, Yong Lei
Building of anti-restack 3D BiOCl hierarchitecture by ultrathin nanosheets towards enhanced photocatalytic activity
Applied Catalysis B: Environmental, vol. 176–177, p. 331–337, 2015
DOI: 10.1016/j.apcatb.2015.04.013


Liying Liang, Yang Xu, Xin Wang, Chengliang Wang, Min Zhou, Qun Fu, Minghong Wu, Yong Lei
Intertwined Cu3V2O7(OH)2·2H2O nanowires/carbon fibers composite: A new anode with high rate capability for sodium-ion batteries
Journal of Power Sources, vol. 294, p. 193–200, 2015
DOI: 10.1016/j.jpowsour.2015.06.076


Qun Fu, Kin Mun Wong, Yi Zhou, Minghong Wu, Yong Lei
Ni/Au hybrid nanoparticle arrays as a highly efficient, cost-effective and stable SERS substrate
RSC Advances, issue 5, p. 6172-6180, 2015
DOI: 10.1039/C4RA09312G


Mi, Y.; Wen, L.; Wang, Z., Cao, D.; Zhao, H.; Zhou, Y.; Grote, F.; Lei, Y.
Ultra-low mass loading of platinum nanoparticles on bacterial cellulose derived carbon nanofibers for efficient hydrogen evolution
Catalysis Today, In Press.
DOI: 10.1016/j.cattod.2015.08.019


Singh, S.; Friedel, K.; Himmerlich, Marcel.; Lei, Y.; Schlingloff, G.; Schober, A.
Spatiotemporal Photopatterning on Polycabonate Surface through Visible Light Responsive Polymer Bound DASA Compounds
American Chemical Society: Macro Letters, issue 4, p. 1273–1277, 2015
DOI: 10.1021/acsmacrolett.5b00653


Lin, W.; Reddavide, F. V.; Uzunova, V.; Gür, F. N.; Zhang, Y.
Characterization of DNA-Conjugated Compounds Using a Regenerable Chip
American Chemical Society: Analytical Chemistry 87, issue 2, p. 864-868, 2015
DOI: 10.1021/ac503960z


Quintero, A.; Lin, W.; Hermanna, S.; Zhang, Y.
Light Induced Inhibition of Protein Phosphatase Calcineurin
WILEY: Chinese Journal of Chemistry, vol. 32, issue 10, p. 1011–1014, 2014
DOI: 10.1002/cjoc.201400432


Singh, S.; Lei, Y; Schober, A.:
Direct extraction of carbonyl from waste polycarbonate with amines under environment friendly conditions: scope of waste polycarbonate as carbonylating agent in organic synthesis
Royal Journal of Chemistry: RSC advance, issue 5, p. 3454-3460, 2015
DOI: 10.1039/C4RA14319A


Thompson, M.; Tsurkan, M.; Chwalek, K.; Bornhauser, M.; Schlierf, M.; Werner, C.; Zhang, Y.:
Self-Assembling Hydrogels Crosslinked Solely by Receptor-Ligand Interactions: Tunability, Rationalization of Physical Properties and 3D Cell Culture
WILEY: Chemistry - A European Journal, vol. 21, issue 8, p. 3178–3182, 2015
DOI: 10.1002/chem.201406366 


Tobola, J; Hampl, J.; Gebinoga, M.; Elsarnagawy, T.; Elnakady, Y. A.; Fouad, H.; Almajhadi, F.; Fernekorn, U.; Weise, F.; Singh, S.; Elsarnagawy, D.; Schober, A.:
Thermoforming techniques for manufacturing porous scaffolds for application in 3D cell cultivation
ELSEVIER: Materials Science and Engineering C, vol. 49, p. 509–516, 2015
DOI: 10.1016/j.msec.2015.01.002

Vellacheri, R.; Al-Haddad, A.; Zhao, H. P.; Wang, W. X.; Wang, C. L.; Lei, Y.:
High performance supercapacitor for efficient energy storage under extreme environmental temperatures
ELSEVIER: Nano Energy, vol. 8, p. 231-237, 2014
DOI: 10.1016/j.nanoen.2014.06.015


Wang, C. L.; Fang, Y. G.; Wen, L. Y.; Zhou, M.; Xu, Y.; Zhao, H. P.; De Cola, L.; Hu, W.P.; Lei, Y.:
Vectorial diffusion for facial solution-processed self-assembly of insoluble semiconductors: a case study on metal phthalocyanines
WILEY: Chemistry - A European Journal, vol. 20, p. 10990-10995, 2014
DOI: 10.1002/chem.201403702


Zhang, H. C.; Zhou, M.; Fu, Q.; Lei, B.; Lin, W.; Guo, H. S.; Wu, M. H.; Lei, Y.:
Observation of Defect State in Highly Ordered Titanium Dioxide Nanotube Arrays
IOP Publishing: Nanotechnology, vol. 25, 275603, 2014
DOI: 10.1088/0957-4484/25/27/275603


Zhao, H.P.; Wang, C.L.; Vellacheri, R.; Zhou, M.; Xu, Y.; Fu, Q.; Wu, M.H.; Grote, F.; Lei, Y.:
Self-Supported Metallic Nanopore Arrays with Highly-Oriented Nanoporous Structure as Ideally Nanostructured Electrode for Supercapacitor Application
WILEY: Advanced Materials , vol. 26, issue 45, p. 7654–7659, 2014
DOI: 10.1002/adma.201402766


Zheng, Y; Wang, W.; Fu, Q.; Wu, M.; Shayan, K.; Wong, K. M.; Singh, S.; Schober, A.; Schaaf, P.; Lei, Y.:
Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) Substrate Based on Large-Area Well-Defined Gold Nanoparticle Arrays with High SERS Uniformity and Stability
WILEY: ChemPlusChem, vol. 79, issue 11, p. 1622–1630, 2014
DOI: 10.1002/cplu.201402154


 

Zhou, M.; Bao, J.; Xu, Y.; Zhang, J.J.; Xie, J. F.; Guan, M. L.; Wang, C. L.; Wen, L. Y.; Lei, Y.; Xie, Y.:
Photoelectrodes Based Upon Mo:BiVO4 Inverse Opals for Photoelectrochemical Water Splitting
American Chemical Society: ACS Nano, vol. 8, p. 7088–7098, 2014
DOI: 10.1021/nn501996a

Konferenzbeiträge

Sukhdeep Singh, Andreas Schober
Harvesting preserved carbonyl from waste polycarbonate: A scope for synthesis of urea derivatives,bisphenol-A recovery and polycarbonate functionalization (Poster Presentation)
Proceedings of 15th Tetrahedron Symposium, 2014, London (UK)


Andreas Schober, Michael Gebinoga, Sukhdeep Singh, Uta Fernekorn, Jörg Hampl, Gregor Schlingloff
Methods for modeling 3D cellular environments (Invited Keynote lecture)
Proceedings of E-MRS 2014 FALL MEETING, 2014, Warschau (Polen)


Sukhdeep Singh, U. Fernekorn, G. Schlingloff, J. Hampl, F. Weise, J. Borowiec, A. Andreas Schober
Biolithomorphy - an approach for designing tissue-like structures for microfluidic systems (Oral Presentation)
8th Workshop of Chemical and Biological Micro Laboratory Technology, Feb. 23-25, 2016, Elgersburg (Deutschland)


Patrick Mai, Justyna Borowiec, Jörg Hampl, Frank Weise, Sukhdeep Singh, Gregor Schlingloff, Andreas Schober
Designs for scaffold based organotypic cell culture systems (Poster Presentation)
8th Workshop of Chemical and Biological Micro Laboratory Technology, Feb. 23-25, 2016, Elgersburg (Deutschland)

Patente

Andreas Schober, Jörg Hampl, Frank Weise, Sukhdeep Singh, Gregor Schlingloff
Formkörper zur Nachbildung einer Struktur eines biologischen Gewebes und Verfahren zu dessen Herstellung
Patentanmeldung DE 10 2014 112 660.2

Buchbeiträge

Uta Fernekorn, Jörg, Hampl, Frank Weise, Sukhdeep Singh, Justyna Tobola, Andreas Schober
Development of Microstructuring Technologies of Polycarbonate for Establishing Advanced Cell Cultivation Systems
Book Chapter of “Handbook of Polymers for Pharmaceutical Technologies: Processing and Applications” 2015
DOI: 10.1002/9781119041412.ch3