Von der Natur gelernt: Biosensoren aus Zellulose

Elektroenzephalografie (EEG), Elektrokardiografie (EKG), Elektromyografie (EMG) – all diese nichtinvasiven medizinischen Diagnosemethoden beruhen darauf, dass eine Elektrode elektrische Signale oder Spannungsschwankungen der Muskel- oder Nervenzellen unter der Haut misst und diese aufzeichnet. Je nach Art der verwendeten Diagnostik können so elektrische Hirnströme, Herzströme oder auch Muskelströme gemessen werden. Dafür werden aktuell metallische Sensoren verwendet, die mittels eines speziellen Gels an der Haut befestigt werden, um so einen kontinuierlichen Kontakt zu gewährleisten. Wissenschaftler der University of Korea und der TU Berlin haben jetzt sogenannte Biosensoren entwickelt, die aus dem pflanzlichen Material Zellulose bestehen. Sie leiten nicht nur besser und dauerhafter als die herkömmlichen Elektroden. Sie sind 100 Prozent natürlich, wiederverwendbar, verursachen keine Hautreizungen wie andere Gele und sind biologisch abbaubar. Das Paper Leaf inspired homeostatic cellulose biosensors wurde jetzt im Fachjournal Science Advances publiziert.

Das entscheidende Stichwort zu den neuen Sensoren lautet: Homöostase. Damit wird in der Biologie die Aufrechterhaltung eines Gleichgewichtszustandes bezeichnet. So regulieren Blätter zum Beispiel den osmotischen Druck in ihren Zellen, also wie viel Wasser diese speichern. Dieser innere Zelldruck ist abhängig von dem Wassergehalt der Nachbarzellen, aber auch der Umgebung (Trockenheit oder hohe Luftfeuchtigkeit) und wird ständig nachjustiert.

„Die meisten Menschen kennen das Gefühl, wenn wir mit nackten Füßen durch einen feuchten Garten gehen. Unter den Fußsohlen bleiben Blätter haften, die einfach nicht abfallen, auch wenn wir uns bewegen“, erläutert Prof. Dr. Klaus-Robert Müller, Leiter des Fachgebiets Maschinelles Lernen an der TU Berlin und Direktor des Berlin Institute for the Foundations of Learning and Data (BIFOLD). „Der Grund, dass Blätter sich optimal an unsere Haut anschmiegen, liegt in den Quelleigenschaften der Zellulose, dem Material aus dem die Pflanzenzellwände bestehen, und beruht auf dem Prinzip der Homöostase.“

Sensoren werden der Blattstruktur nachempfunden

Bislang trat Zellulose vor allem als Material für die Synthese oder Filtration in Erscheinung. Da Zellulose selbst nicht leitet, schien sie ungeeignet als potenzielles Elektrodenmaterial. Werden Zellulosefasern allerdings in salzhaltiges Wasser gelegt, quellen sie auf und zeigen sehr gute elektrische Leitungseigenschaften.

Inspiriert von der Struktur von Blättern, haben die Wissenschaftler Biosensoren entwickelt, analysiert und getestet, die aus zwei Schichten, der Blattstruktur nachempfundenen Zellulosefasern bestehen, die mit Salzwasser getränkt werden können. Über dem Zellulosematerial liegt eine Trägermembran, die wiederum an eine metallische Elektrode mit Kabel andockt.

Wiederverwertbar, hautverträglich und biologisch abbaubar

„Diese Sensoren zeigten kontinuierlich hochwertige elektrophysiologische Signale in verschiedenen Anwendungen, zum Beispiel im EEG, EMG und EKG. Sie haften hervorragend – ohne das ein synthetisches Gel gebraucht wird – an verschiedenen Hauttypen. Diese guten Haftungseigenschaften zeigen sie auch unter Stress, wie zum Beispiel bei schwitzenden oder sich bewegenden Proband*innen“, erläutert Klaus-Robert Müller. Daneben verfügen diese Sensoren über eine hohe Übertragungsqualität, einen niedrigen elektrischen Widerstand (Impedanz) und eine geringe Varianz des Widerstandes während Langzeit-Messungen.
Die Wissenschaftler haben diese Sensoren bereits in verschiedenen Anwendungsszenarien und auf verschiedenen Hauttypen getestet. „Die Vielseitigkeit und Robustheit der Biosensoren konnten wir auch in Kombination mit Algorithmen des maschinellen Lernens zeigen, die in anspruchsvollen realen Situationen getestet wurden. Tests wurden beim Fahrradfahren oder auch beim Computerspiel mit einer Gehirn-Computer-Schnittstelle durchgeführt, bei denen sich die Probanden während der Messung bewegen und somit Artefakte erzeugen können“, so Klaus-Robert Müller.

Weitere Vorteile der Biosensoren: Sie erlauben eine Massenproduktion in einem einfachen und kostengünstigen Prozess, sind wiederverwertbar, hautverträglich und biologisch abbaubar. Klaus-Robert Müller ist überzeugt: „Diese homöostatischen Zellulose-Biosensoren eignen sich für breite klinische und nicht-klinische Anwendungen.“