PD Dr. Sukhdeep Singh
Leiter der Forschungsgruppe
+49 3677 69 3685
Anschrift:
Technische Universität Ilmenau
Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften
PF 10 05 65
98684 Ilmenau
Besuchsadresse:
Heliosbau, Raum 2111
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
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
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.
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.
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.
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.
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.