Celgebaseerde biosensoren kunnen het effect van verschillende stoffen simuleren, zoals medicijnen, op het menselijk lichaam in het laboratorium. Afhankelijk van het meetprincipe, Hoewel, het produceren ervan kan duur zijn. Als resultaat, ze worden vaak niet gebruikt. Kostenfactoren voor sensoren die elektrisch meten zijn het dure elektrodemateriaal en de complexe productie. Wetenschappers van Fraunhofer produceren nu goedkoop en eenvoudig biosensoren met grafeenelektroden in roll-to-roll printen. Er bestaat al een systeemprototype voor massaproductie.

Celgebaseerde biosensoren meten veranderingen in celculturen via elektrische signalen. Dit gebeurt door middel van elektroden die in de petrischaal of de putjes van een zogenaamde putplaat worden gemonteerd. Als toegevoegde virussen een continue cellaag op de elektroden vernietigen, bijvoorbeeld, de tussen de elektroden gemeten elektrische weerstand wordt verminderd. Op deze manier, het effect van bijvoorbeeld vaccins of medicijnen kan worden getest:hoe effectiever de werkzame stof, hoe kleiner het aantal cellen dat door de virussen wordt vernietigd en hoe lager de gemeten weerstandsverandering zal zijn. Ook toxiciteitstesten, zoals op cosmetische producten, kan volgens hetzelfde principe functioneren en kan in de toekomst dierproeven vervangen. Nog een voordeel:als biosensoren worden gekoppeld aan een evaluatie-eenheid, metingen kunnen continu en geautomatiseerd zijn.

Geleidend, biocompatibel, afdrukbaar

De bereiding van de beschreven biosensoren is duur en complex, hoewel:de elektroden zijn gemaakt van een biocompatibel en elektrisch geleidend materiaal, zoals goud of platina. De productie van micro-elektroden vereist een ingewikkeld lithografisch proces. Het resultaat:de laboratoria kopen deze biosensoren vaak niet in vanwege de hoge kosten, en het onderzoek van de celculturen wordt nog steeds handmatig onder een microscoop uitgevoerd. Als alternatief voor edele metalen, echter, grafeen kan nu worden gebruikt als materiaal voor de elektroden. De voordelen van het koolstofmateriaal:het is elektrisch geleidend, biocompatibel en, indien in de vorm van een inkt, kan op oppervlakken worden afgedrukt.

Wetenschappers van het Fraunhofer Institute for Biomedical Engineering IBMT in St. Ingbert in de Duitse regio Saarland hebben gebruik gemaakt van zo'n grafeeninkt. Samen met industriepartners in het M-era.Net-project BIOGRAFIE, die wordt gefinancierd door het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF), ze hebben een printproces ontwikkeld dat het mogelijk maakt om grote aantallen grafeen biosensoren te produceren in een kosteneffectief roll-to-roll proces. "Ons systeemprototype kan ongeveer 400 biosensoren per minuut printen op een continue folie, "Dr. Thomas Velten, Hoofd van de afdeling Biomedical Microsystems bij IBMT en projectmanager van BIOGRAFIE, zegt bij het beschrijven van het resultaat van het ontwikkelingswerk. Terwijl de printapparatuur en grafeeninkt worden geleverd door de betrokken partners, de wetenschappers van het IBMT hebben het ontwerp van het printproces verzorgd. "Vooral, het is cruciaal om parameters zoals de inktviscositeit, afdruksnelheid, rakeldruk - een rakel veegt overtollige inkt weg - en putdiepte van de drukcilinder zodat de gedrukte structuren overeenkomen met de nominale afmetingen, ", legt Velten uit. Een interdisciplinair team van biologen en ingenieurs van de IBMT heeft ook een eiwitinkt ontwikkeld, die direct na het grafeen op de elektroden wordt afgedrukt. Velten:"Alleen dankzij de eiwitten hechten de cellen goed genoeg aan de elektrodefolie". Een ingewikkeld proces:de oppervlakte-energieën van de folie en inkt moeten zodanig op elkaar worden afgestemd dat de overdracht van de inkt van de drukcilinder naar de folie optimaal plaatsvindt. Bijzonder kritisch is het drogen van de gedrukte structuren, omdat de eiwitten geen oplosmiddelen of hoge temperaturen verdragen. Alleen de juiste mix van inktingrediënten en droogmethode zorgt ervoor dat de inkt snel genoeg droogt.