Von Menschen gefertigte Geräte, von Glühbirnen bis hin zu iPods, senden ihre Informationen unter Verwendung von Elektronen. Der menschliche Körper und andere lebendige Dinge hingegen senden Signale und verrichten Arbeit unter Verwendung von Ionen oder Protonen.
Materialwissenschaftler der University of Washington (UW) haben jetzt einen neuartigen Transistor gebaut, der Protonen verwendet und damit einen Schlüssel, damit elektronische Geräte direkt mit Lebewesen kommunizieren können. Die Studie wurde diese Woche im Journal Nature Communications veröffentlicht.
Gerätschaften, die zum Beispiel für biologische Sensorik oder Prothetik geschaffen wurden und mit Abläufen im menschlichen Körper verbunden sind, kommunizieren üblicherweise mit Elektronen, also negativ geladenen Teilchen, und nicht mit Protonen oder Ionen, also Atomen mit positiver oder negativer Ladung.
„Es gibt daher immer diesen Aspekt, die Herausforderung, an einem Interface: wie kann man ein Elektronen-Signal in ein Ionen-Signal umwandeln oder umgekehrt?“ Das sagte der leitende Autor der Studie, Marco Rolandi, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaft an der UW. „Wir haben ein Biomaterial gefunden, das sehr gut Protonen leitet und damit das Potenzial für ein Interface mit lebenden Systemen besitzt.“
Im Körper aktivieren Protonen ON oder OFF Schalter und spielen eine Schlüsselrolle beim biologischen Energietransfer. Ionen öffnen oder schließen Kanäle in der Zellmembran, um Dinge in eine Zelle hinein oder hinaus zu pumpen. Eine Gerätschaft, die auf solche Weise kompatibel mit lebenden Systemen ist, könnte kurzfristig solche Prozesse beobachten. Eines Tages könnte sie auch Protonenflüsse generieren, um bestimmte Funktionen direkt zu kontrollieren.
Ein erster Schritt hin zu dieser Art von Kontrolle ist ein Transistor, der Impulse von Protonenflüssen aussenden kann. Der Prototyp eines solchen Gerätes ist ein Feldeffekttransistor, ein einfacher Transistortyp, der ein Gate, ein Drain und eine Source für den Fluss besitzt. Der Prototyp der UW ist der erste seiner Art, der dazu Protonen benutzt. Er ist nur ungefähr fünf Mikron groß und misst damit ungefähr ein Zwanzigstel des Durchmessers eines menschlichen Haares.
„In unserer Vorrichtung können große, biologisch angeregte Moleküle Protonen bewegen und ein Protonenfluss kann an- und ausgeschaltet werden in einer Weise, die absolut analog zum Elektronenfluss in üblichen Feldeffekttransistoren ist“, so Rolandi.
Für die Vorrichtung wird eine modifizierte Form des Biopolymers Chitosan verwendet, das ursprünglich aus Kalmar-Federn (Gladien) gewonnen wird, einer Struktur, die aus der Zeit stammt, in der Kalmare noch Schalen hatten. Das Material ist kompatibel mit lebenden Dingen, einfach herzustellen und kann aus Krabbenschalen oder Kalmar-Federn gewonnen werden, die Abfallprodukte der Lebensmittelindustrie sind.
Mitautor Chao Zhong, Postdoktorand an der UW und Yingxin Deng, Doktorand an der UW, entdeckten, dass diese Art von Chitosan bemerkenswert gut bei der Bewegung von Protonen geeignet ist. Das Chitosan absorbiert Wasser und bildet viele Wasserstoffbrücken aus: dann können Protonen von einer Wasserstoffbindung zur Nächsten springen.
Computermodelle des Ladungstransports, die von den Co-Autoren M.P. Anantram, Professor für Elektrotechnik an der UW, und Anita Fadavi Roudsari von der kanadischen University of Waterloo entwickelt wurden, passten gut zu den Ergebnissen der Experimente.
„Also haben wir jetzt parallel zu einem Elektronenkreislauf einen Protonenkreislauf, den wir inzwischen wirklich gut verstehen“, so Rolandi.
In den nächsten zehn Jahren oder so könnte direktes Abtasten von Zellen im Laborversuch eine der Anwendungen für den Transistor sein, meint Rolandi. Der momentane Prototyp hat eine Silikonbasis und kann deswegen nicht in einen menschlichen Körper implantiert werden. Trotzdem könnte längerfristig eine biokompatible Version direkt in Lebewesen implantiert werden, um bestimmte biologische Prozesse zu beobachten oder gar direkt zu kontrollieren.
Ein weiterer Co-Autor der Studie ist der Doktorand für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaft an der UW, Adnan Kapetanovic, Die Forschung wurde finanziert von der University of Washington, einer Subvention der 3M Untenured Faculty, einem Stipendium des National Cancer Institute und dem Center for Nanotechnology an der UW, das von der National Science Foundation finanziert wird.
(THK)
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