Technische Informatik - Mikrorobotik und Regelungstechnik (AMIR)

Forschungsgruppe: Handhabung und
Charakterisierung von Biomaterialien

Einführung

Die Forschung in Molekular- und Zellbiologie, Medizin und Prozesssensorik (Sensorsysteme zur Überwachung vielfältiger Prozesse im industriellen und wissenschaftlichen Bereich) erfordert heute oftmals Fortschritte im Bereich der Nanotechnik, um z.B. molekulare Prozesse mit der höchst möglichen Auflösung zu untersuchen mit dem Ziel, u.a. unbekannte Abläufe von metabolischen Prozessen zu entschlüsseln. Ausgehend von Problemstellungen dieser Bereiche erfolgen Design und Konstruktion neuer Messaufbauten, die nicht nur neue biologische Experimente ermöglichen, sondern auch Entwicklungen in den Bereichen Nanorobotik, Nanowerkzeuge und Systemsteuerung vorantreiben.
Abgeleitet davon werden innerhalb von AMiR Nanorobotersysteme entwickelt, welche die Möglichkeit bieten, einzigartige Studien auf der Nanometerskala durchzuführen. Dies umfasst zum Beispiel Untersuchungen von einzelnen Zellen (z.B. Bakterien) bis hin zu kompletten Zellverbunden (z.B. bakterielle Biofilme), die eine elektrische und mechanische Charakterisierung ermöglichen, welche dann zu einem verbesserten Verständnis der ablaufenden Prozesse führt. Zusätzlich soll mit den Nanorobotersystemen die Möglichkeit geschaffen werden, Zellverbunde, Zellen und selbst Zellbestandteile direkt zu manipulieren (z.B. Bau von DNA- oder CNT-Netzwerken für Schaltkreise im unteren Nanometerbereich), welches neue Untersuchungen in allen Gebieten der Bio-Nanotechnologie und Nanotechnologie ermöglichen wird.

 

Links: Schematischer Aufbau eines Nanorobotersystems für die
Charakterisierung und Manipulation von Biomaterialien
Rechts: Blick auf den Probenbereich des aktuellen Nanoroboteraufbaus

Charakterisierung von Biomaterialien

  • Bakterielle Biofilme: Biofilme können in der Molekular- und Zellbiologie Untersuchungen und Prozessabläufe stören, in der Medizin bei Beteiligung von pathogenen Bakterien zum Versagen von Implantaten oder in der Prozesssensorik zum Ausfall des kompletten Sensors führen, wenn die Bildung und das Wachstum nicht eingeschränkt oder verhindert werden. Zusätzlich zu aktuellen genetischen und biochemischen Ansätzen, sollen mit den in AMiR entwickelten Nanorobotersystemen neue komplementäre Methoden genutzt und entwickelt werden, um Einsicht in die Eigenschaften von Biofilmen und deren Bildung und Wachstum zu erlangen.

 

Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Biofilmen (Beispiel: Bestimmung des Spannungsfeldes mit Hilfe von Rissversuchen)

  • Zelladhäsion und Zellbeweglichkeit: Die Mechanismen, die der Zelladhäsion oder Zellbeweglichkeit zu Grunde liegen, sind nicht vollständig erforscht. Zelladhäsion und Zellbeweglichkeit spielen eine entscheidende Rolle bei der Implantatverträglichkeit, im Immunsystem, sowie bei horizontalem Gentransfer zwischen Bakterien, bei dem u. a. Immunitäten gegen Medikamente übertragen

  • Elektrische Charakterisierung von Biomolekülen: Das Wissen um das elektrische Verhalten mikro- und nano-dimensionierter biologischer Bausteine (Bakterien, Self-Assembled-Monolayers, DNA...) ist von grundlegendem Interesse für die weitere Miniaturisierung von elektrischen Schaltkreisen. Zuästzlich sollen sich mit den in AMiR zu entwickelnden nanorobotischen Systemen elektrische Flüsse auf Zellmembranen visualisieren lassen, die z.B. bei Signaltransduktion auftreten können.


Schematische Darstellung der Leitfähigkeitsmessung an
DNA Strängen mit Hilfe von AFM und Nanoroboter.

Manipulation von Biomaterialien

  • Manipulation von DNA: Ausgehend von den Problemstellungen im Bereich der fortschreitenden Miniaturisierung elektrischer Schaltkreise werden neue Wege gesucht immer kleinere Strukturbreiten zu realisieren. Ein vielversprechender Weg dahin ist die Verwendung von Biomolekülen, wie zum Beispiel DNA. Damit es möglich ist mit Hilfe von DNA nanoelektrische Schaltkreise herzustellen, werden verschiedene Ansätze der herangehensweise untersucht. In AMiR sollen von daher Robotersysteme aufgebaut werden, mit denen eine gezielte und automatisierte Manipulation von DNA, zum Aufbau von nanoelektrischen Schaltkreisen, möglich und eine Alternative zum gegenwärtig genutzten Self-Assembling geboten wird.

Manipulation von Biomolekülen: In der Abbildung ist eine AFM von salmon testes DNA zu sehen, welche mit Hilfe des AFM geschnitten wurde (grüne Pfeile). Die entstehenden Teilstücke sollen mit Hilfe von AFM und Nanoroboter so manipuliert werden, dass später der Aufbau von nanoelektrischen Schaltkreisen möglich wird.


  • Weitere Forschungsschwerpunkte umfassen Untersuchungen zu den biophysischen Wechselwirkungen von Proteinen, zu Einzelzellelektroporation (Methode um Zellmembranen permeabel zu machen, um so DNA in Zellen einzuschleusen) und zur Manipulation weiterer Biomoleküle. 

Nanomanipulationen durch laterale Vibrationen/Oszillationen

Desweiteren wird die Ausnutzung von lateralen Vibrationen und Oszillationen von AFM-Cantilevern zur Durchführung von Nanomanipulationen untersucht. Da das AFM gleichzeitig als Sensor und Aktor genutzt werden kann, stellt es einen einfachen Aufbau zur Manipulation von Oberflächen und Nanopartikeln dar. Zum anderen kann jedoch jede Abbildung mit dem AFM auch zu einer unerwünschten Bewegung des gescannten Nanopartikels führen.  In der Arbeitsgruppe werden neue, laterale Schwingungsmoden des AFM Cantilevers entwickelt und eingesetzt.


FEM-Simulationen der lateralen Schwingungsmoden des AFM Cantilevers.

In dem von der DFG geförderten Projekt NanoLatVib sollen gezielt laterale Vibrationen und Oszillationen für die AFM-basierte Nanohandhabung genutzt werden. Abb. 6 zeigt das Ergebnis von FEM-Simulation dieser lateralen Schwingungsmoden. Nanopartikel, die sehr stark an der Substratoberfläche haften, können durch das Einsetzten und Ausnutzen dieser lateralen Cantilever Schwingungen mobilisiert werden. Abb. 7 zeigt das AFM Bild einer erfolgreichen Nanomanipulation von Goldpartikeln mit einem Durchmesser von 30nm auf einem Mica Substrat. Dafür wurde der AFM Cantilever in einem konstanten Abstand von etwa 30nm, bei gleichzeitiger Anregung der lateralen Schwingungsmode, über die Substratoberfläche geführt, um ein Kreuz zu formen.


Nutzung der lateralen Schwingungsmoden zur gezielten Manipulation von Goldpartikeln
mit einem Durchmesser von 30nm auf einem Mica Substrat.

Projekte

Aktuelle Projekte

Gruppenmitglieder

Studierende:
-

Angebote für Studierende

Nachfolgend einige mögliche Angebote für IPs, Master oder Diplomarbeiten der Gruppe „Handhabung und Charakterisierung von Biomaterialien”. Die Themen sind für Informatiker wie auch Physiker gedacht und werden entsprechend des Studienganges variiert. Die Voraussetzungen um bei uns zu arbeiten sind hauptsächlich Interesse an der äußerst spannenden und gleichzeitig hochaktuellen Kombination von Robotik, Bio-Nanotechnologie und Informatik, sowie die Bereitschaft sich in neue Themen einzuarbeiten und engagiert an Problemlösungen mitzuarbeiten.
Bei Wunsch können alle Themen speziell angepasst werden oder auch ähnliche Themen speziell auf Interessenten zugeschnitten werden.

Wichtigste Publikationen

  • S. Fatikow, M. Bartenwerfer, M. Mikczinski, F. Niewiera, M. Weigel-Jech, P. Saketi, P. Kallio: „Automated Handling of Bio-Nanowires for Nanopackaging“, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2010), Taipei, Taiwan, October 18-22, 2010,accepted
  • M. Weigel-Jech (Presenter), F. Niewiera, and S. Fatikow: “Towards Automated Handling of Biomaterials for Nano-Biosensor Fabrication”, IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM 2010), Montreal, Canada, 6-9 July, 2010 
  • U. Mick, M. Weigel-Jech (Presenter), and S. Fatikow: “Robotic Workstation for AFM-Based Nanomanipulation Inside an SEM”, IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM 2010), Montreal, Canada, 6-9 July, 2010
  • F. Krohs, M. Weigel-Jech, U. Mick, M. Isken, S. Fatikow: “Advanced Atomic Force Microscope based System for Manipulation at the Nanoscale”, Proceedings of the 9th International IFAC Symposium on Robot Control (SYROCO2009), Gifu, Japan, September 9 to 12, 2009
  • M. Weigel-Jech, S. Fatikow. Development of a novel nanorobotic system for the characterization and manipulation of biomaterials. The Fifth International Conference on Microtechnologies in Medicine and Biology. Québec City, Canada. April 1-3, 2009
  • E. Kamau, F. Voigt: “Modeling of Vibrating Atomic Force Microscope's Cantilever within Different Frames of Reference”, European COMSOL Conference, Hannover, November 2008
  • M. Weigel-Jech, S. Hagemann, S. Fatikow: "Development of a Nanostation for Manipulation and Characterization of Biomaterials to Support Sensor Development in BioNanotechnology", Proc. of Int. Conf. on Nanosensors for Industrial Applications, Vienna, Austria, invited talk, Sept. 29-30, 2008
  • F. Krohs, S. Hagemann, S.Fatikow: "Automated Cell Characterization by a nanohandling robot station", IEEE Mediterranean Conference on Control and Automation (MED), Athens, Greece, June 27-29, 2007 
  • S. Hagemann, F. Krohs, S. Fatikow: "Automated Characterization and Manipulation of Biological Cells by a Nanohandling Robot Station", Nanotech Northern Europe (NTNE), Helsinki, Finland, March 27-29, 2007 
  • S.Fatikow, V.Eichhorn, S.Hagemann, H.Hülsen: "AFM probe-based nanohandling robot station for the Characterization of CNTs and biological cells", 5th Int. Workshop on Microfactories (IWMF), Besancon, France, October 25-27, 2006
  • S.Fatikow, S.Kray, V.Eichhorn, S.Tautz: "Development of a Nanohandling Robot Station for Nanocharacterization by an AFM Probe," IEEE Mediterranean Conference on Control and Automation (MED), Ancona, Italy, June 28-30, 2006