Optische Manipulation und Sensorik für biomedizinische Anwendungen

Optische Werkzeuge bieten eine enorme Möglichkeit, um Prozesse von der subzellulären Skala bis hin zu ganzen Organen zu untersuchen, zu messen und zu visualisieren. Wir arbeiten an verschiedenen Projekten, die Licht nutzen, um entweder zelluläre Aktivität ein- und auszuschalten oder Kräfte der biologischen Interaktion zu messen. Automatisierte optische Systeme werden entwickelt, um Herzzellen und neuronale Netzwerke anzuregen. Mit einer Technik namens Optogenetik, die genetische Modifikation und Optik kombiniert, kann die Aktivität lichtempfindlicher Zellen stimuliert und der Prozess gleichzeitig mit fluoreszierenden Reportern visualisiert werden, die zur räumlichen Steuerung der Lichtabgabe für eine gezielte Stimulation in verschiedenen biologischen Proben wie Zell-Monolayer, künstlichem Gewebe und in vivo verwendet werden können und die Basis bilden können, für die nächste Generation von Neuroimplantaten. Darüber hinaus werden in der Gruppe optische Techniken in Kombination mit Mikrofluidik entwickelt, um Kräfte auszuüben und molekulare Interaktionen in lebenden Zellen zu untersuchen. Optische Pinzetten in Kombination mit empfindlichen Detektionsmethoden sind ideal geeignet, um externe Kräfte mit Größenordnungen bis in den Sub-Pico-Newton-Bereich aufzubringen und zu messen (Riesenberg et al., 2020).

Für Sensoranwendungen, insbesondere in implantierten medizinischen Geräten, besteht die Notwendigkeit, weiche, flexible und biokompatible Materialien zu verwenden. In diesem Zusammenhang schlagen wir die Verwendung von biokompatiblen Polymeren vor, um optische Komponenten zu bauen, die eine Lichtübertragung und optische Erfassung von biochemischen Veränderungen in einer In-vivo-Umgebung ermöglichen könnten (Torres-Mapa et al., 2019). Dies könnte möglicherweise spröde Glasfasern für die Lichtübertragung ersetzen und die langfristige Überwachung biologischer Signale erleichtern.