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Biomaterialien könnten Lichtchips mit lebendem Gewebe verbinden
Photonische Chips übertragen Informationen mithilfe von Licht, bestehen aber meist aus anorganischen Materialien. Eine neue Auswertung bisheriger Forschung zeigt, wie Proteine, DNA und andere Biomaterialien Licht leiten, erzeugen oder in elektrische Signale übersetzen können. Besonders interessant erscheinen solche Hybridbauteile für medizinische Sensoren, auch wenn ihre Integration noch große technische Hürden birgt.
Moskau (Russland). Licht statt elektrischer Ströme zu nutzen, könnte Datenverarbeitung und Sensorik in bestimmten Anwendungen energieeffizienter machen. Doch selbst photonische Schaltungen basieren bislang überwiegend auf starren, anorganischen Halbleitern, die sich nur begrenzt mit weichem und lebendem Gewebe verbinden lassen.
Biologische Moleküle besitzen dagegen Eigenschaften, die herkömmlichen optischen Materialien oft fehlen. Manche leuchten, andere reagieren auf bestimmte Wellenlängen, und wieder andere lassen sich zu biegsamen Strukturen verarbeiten. Daraus entsteht die Idee, herkömmliche Lichtchips nicht vollständig zu ersetzen, sondern sie gezielt um biologische Komponenten zu ergänzen.
Ein internationales Autorenteam um Petr I. Nikitin vom Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences (GPI RAS) hat nun den Stand der Forschung zur biologisch basierten Photonik zusammengetragen. Die veröffentlichte Perspektivarbeit bewertet frühere Laborergebnisse und technische Möglichkeiten, stellt aber keinen neuen experimentellen Test eines vollständig integrierten Lichtchips vor.
Optische Wellenleiter aus Seidenproteinen oder speziellen DNA-Komplexen können Licht gezielt durch dünne Strukturen führen. Die Übersicht nennt für Biopolymer-Wellenleiter besonders geringe Lichtverluste von 0,24 Dezibel pro Zentimeter. Dieser Bestwert stammt aus bereits veröffentlichten Einzelversuchen und belegt noch nicht die Leistungsfähigkeit eines kompletten biophotonischen Prozessors.
Auch biologische Leuchtstoffe sind für optische Bauteile interessant. Bei biohybriden Leuchtdioden wurden dem Überblick zufolge Lichtausbeuten von bis zu 130 Lumen pro Watt und Betriebszeiten von mehr als 3.600 Stunden erreicht. Solche Ergebnisse zeigen das technische Potenzial einzelner Komponenten, lassen sich aber nicht ohne Weiteres auf ein vollständig integriertes System übertragen.
Ein weiterer Ansatz verbindet lichtempfindliche Proteine mit herkömmlichen elektronischen Materialien wie Kohlenstoffnanoröhrchen oder Graphen. Die optische Reaktion solcher Hybride lässt sich durch die Absorptionseigenschaften der Biomoleküle beeinflussen. Dadurch könnten kleine Sensoren bestimmte Lichtfarben gezielt erfassen oder biologische Vorgänge unmittelbar an Geweben messen.
Das Spektrum reicht noch weiter. Der Überblick beschreibt unter anderem biohybride Solarzellen mit Wirkungsgraden von ungefähr 20 Prozent sowie optoelektronische Memristoren. Diese Bauteile können Informationen über frühere elektrische oder optische Zustände bewahren und sind deshalb auch für neuartige Formen der Signalverarbeitung interessant.
Der Vorteil biologischer Materialien liegt dabei vor allem in ihrer möglichen Verträglichkeit mit lebendem Gewebe und der gezielten Anpassbarkeit ihrer optischen Eigenschaften. Denkbare Einsatzfelder sind tragbare Diagnosesysteme, implantierbare Sensoren und Untersuchungen unmittelbar am Patienten. Aus den bisherigen Labordemonstrationen folgt allerdings noch nicht, dass solche Systeme bereits klinisch erprobt oder langfristig zuverlässig sind.
Für eine praktische Nutzung müssen biologische und anorganische Komponenten dauerhaft zusammenarbeiten. Viele Biomoleküle reagieren empfindlich auf Hitze oder aggressive Verarbeitungsschritte, die bei der herkömmlichen Chipherstellung üblich sind. Zudem können Stabilität, elektrische Ladungsübertragung und die Verbindung unterschiedlicher Materialoberflächen die Leistung begrenzen.