Medizintechnik 27.04.2001, 17:29 Uhr

Medizintechnik im mikroskopischen Maßstab

Der Mikrofluidik kommt eine Schlüsselrolle in der Medizintechnik zu. Winzige Maschinen mit mikroskopische Pumpen und Ventilen könnten im menschlichen Organismus eingepflanzt lebensrettende Medikamente spenden und in der Biotechnologie automatisierte Schlüsselexperimente durchführen.

Die Kräfte der Physik bewegen Ozeane, Berge und Galaxien. Der Physiker Stephen Quake nutzt sie, um Gegenstände in mikroskopischen Dimensionen zu manipulieren: winzige Flüssigkeitsvolumina, tausendmal kleiner als ein Tautropfen. Die Mikrofluidik, wie Quakes Forschungsfeld genannt wird, ist ein viel versprechender neuer Zweig der Biotechnologie. Ihre Grundidee ist, durch die Beherrschung von Flüssigkeiten im Mikro-Maßstab eine Reihe von Schlüsselexperimenten der Genomik und der Pharma-Entwicklung zu automatisieren, sofortige diagnostische Tests durchzuführen und sogar implantierbare Medikamentenspender zu bauen – alles mit massenweise produzierten Elektronikchips. Das ist eine bezwingende Vision, und viele Industriebeobachter sagen voraus, dass die Mikrofluidik für die Biotechnologie leisten könnte, was der Transistor für die Elektronik bewirkt hat. – Quakes mit elf Forschern besetztes Labor am kalifornischen Caltech ist nicht der einzige Ort, wo man diese Vision verfolgt. In der letzten Dekade haben sich Dutzende von Forschern daran gemacht, mikroskopisch kleine Geräte für viele grundlegende Prozesse der biologischen Forschung zu bauen: von der Mischung von Proben bis zum DNA-Sequencing. Doch viele dieser Forschergruppen sind bei der Entwicklung von Technologien für breite Anwendungsfelder und mehrere Funktionen – Probenaufbereitung, DNA-Extraktion und Feststellung von Gen-Mutationen – auf Hindernisse gestoßen. Außerdem sind einige ihrer Fertigungsverfahren, insbesondere das Micromachining von Silizium, so kostspielig, dass Fachleute bezweifeln, ob Produkte auf der Basis dieser Techniken überhaupt ökonomisch machbar sind. – Quakes Gruppe ist eine von mehreren, die einen Weg um diese Hindernisse bahnen wollen. Im letzten Frühjahr präsentierte sein Team eine Serie mikroskopischer Ventile und Pumpen – ein kritischer erster Schritt zur Entwicklung von Technologien für alle Anwendungen der Mikrofluidik. Um Mikrofluidik-Geräte billiger zu machen, wollen Quake und andere Forscher sie aus weichem Silikongummi gießen – in mehrfach verwendbaren Formen. Diese Technik heißt „weiche Lithografie“. Der potentielle Gewinn dieser Fortschritte ist gewaltig: Serien mäßig gefertigte mikrofluidische „Wegwerf“-Chips, die eine Fülle von Neuheiten ermöglichen: von der Medikamentenentwicklung in massivem Umfang bis zu Heimtests für gewöhnliche Infektionen. – – Weil die Mikrofluidik so viel versprechend ist und dabei technisch so frustrierend, wird die Entwicklung dieser zukunftsfähigen Technologie oft von Erwartungen und Übertreibungen überholt. Doch Quake und seine Gruppe haben konsistent elegante Vorrichtungen gebaut, die wirklich funktionieren. Als Erstes entwickelten sie einen mikroskopischen DNA-Analysator, der schneller arbeitet und auf anderen Prinzipien basiert als die herkömmliche große Version. Dann entstand ein miniaturisierter Zellen-Sortierer, und kürzlich kamen die Ventile und Pumpen, die im Wissenschaftsmagazin Science beschrieben wurden. Alles das neben der regelmäßigen Publikation wichtiger Entdeckungen in der Physik biologischer Moleküle.
Das Überbrücken benachbarter Felder ist Quakes besonderes Talent – in diesem Fall von Wissenschaft und Technologie. Vielleicht ist das die Herausforderung, die er lange gesucht hat. Schon als Student der Stanford-Universität, wo er in nur vier Jahren seinen Magister und Master gleichzeitig erwarb, machte sich Quake Sorgen, dass die experimentelle Physik irgendwie am Ende sei, und dass es für ihn schwer sein würde, auf Neuland vor zu stoßen. Also hielt er als echter Pionier Ausschau nach Fragen an den Grenzgebieten zwischen Disziplinen. „Selbst für einen Außenseiter war klar“, erinnert er sich, „dass die Biologie eine Periode unglaublichen Wachstums und intellektueller Begeisterung durchlief, und dass dort grandiose Fragen gestellt und beantwortet wurden. Die Grenzen schoben sich mit enormer Kinetik in alle Richtungen vor.“
Nach dem Abschluss seiner Doktorarbeit in theoretischer Physik an der Oxford-Universität ging Quake als „Fellow“ zurück nach Stanford und befasste sich dort mit DNA-Physik. Als ihn 1996 das Physik-Department des Caltech aufnahm, sagt Quake, „war das ein Experiment“ – er war das erste Fakultätsmitglied mit biologischer Ausrichtung. Bis jetzt scheint das Experiment gelungen: Im vergangenen Sommer erhielt Quake mit 31 Jahren seine Anstellung auf Lebenszeit.
Quakes Erfindungen bewähren sich auch in der Industrie: in seiner Start-up-Firma namens Mycometrix. Quake hat sie mit zweien seiner Mitstudenten und einem Berater 1999 gegründet. Die in South San Francisco ansässige Firma hat Quakes Mikrofluidik-Patente vom Caltech lizenziert. Bis Ende 2000 sollten die ersten Mikrofluidik-Geräte an ausgewählte Hochschulforscher und Industriepartner gehen, bis spätestens 2002 erhofft man die kommerzielle Freigabe. Der Wettbewerb in diesem Feld wird intensiv. Einige Start-ups und sogar Elektronikriesen wie Hewlett-Packard und Motorola steigen ein. Bislang hat allerdings nur einer von Mycometrix“ Konkurrenten ein Mikrofluidik-Produkt auf den Markt gebracht.
Obgleich Quakes Arbeit schnell in den kommerziellen Markt einfließt, sind es die frühen Stadien in Wissenschaft und Technologie-Entwicklung, die ihn am meisten interessieren. Und obwohl er ein gutes Renommee als Technologe hat, hofft er, dass er bald mehr auf die drängenden Fragen der grundlegenden Biologie fokussieren kann: Wie funktionieren die Proteine, die den Genausdruck steuern? Wie lässt sich studieren, was dem gesamten Genom gemeinsam ist? „Jetzt, da wir einige hübsche Hilfsmittel haben“, sagt Quake, „werden wir versuchen, sie wissenschaftlich zu nutzen.“ REBECCA ZACKS
Aus dem Amerikanischen von Werner Schulz

Ende der Serie
„Die 10 Technik-Trends des MIT“

Technik, die unsere Welt verändert

Die Wissenschaftszeitschrift „Technology Review“ des renommierten Massachusetts Institute of Technology porträtierte 10 Forscher, die mit ihren Arbeiten zu trendsetzenden technischen Entwicklungen weltweit führend sind. In den VDI nachrichten erschienen die Beiträge exklusiv in deutscher Übersetzung: – Gehirn-Maschine-Interface: 23. Februar – Flexible Transitoren: 2. März – Data-Mining: 9. März – Digitales Copyright-Management: 16. März – Biometrie: 23. März – Natürliche Sprachverarbeitung: 30. März – Mikrophotonik: 6. April – Aspekt-orientierte Programmierung: 12. April – Roboter: 20. April – Mikrofluidik: 27. April Alle Beiträge demnächst im Internet unter http://www.vdi-nachrichten.com

 

Ein Beitrag von:

  • Rebecca Zacks

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