KMU-Akut-Netzwerk »SiCellNet«

• Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM
• Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
• Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS
• Fraunhofer Entwicklungszentrum für Marine und Zelluläre Biotechnologie EMB

Das Fraunhofer IMM ist spezialisiert auf Mikrotechnik und Mikrosysteme, mit besonderem Fokus auf mikrofluidische Komponenten und Systeme. Diese Technologien werden erfolgreich für die automatisierte Handhabung und Bereitstellung einzelner Zellen eingesetzt, wie z. B. beim CTCelect System zur Vereinzelung seltener Zellen aus einer Blutprobe.

Die Infrastruktur des Fraunhofer IMM umfasst u.a.:

• Die gesamte Technologiekette zur mikrofluidischen Systementwicklung (u.a. Prototyping mikrofluidischer Kunststoff-Einwegkartuschen, Automatisierung, Demonstratorbau,…)
• Reinraum-Einrichtungen für die Silizium-basierte Mikrostrukturierung von Mikrofluidik-MEMS-Chips
• Biologische Laboratorien mit Technologien zur Zellhandhabung

Fraunhofer IMM verfügt zudem über intensives Know-How im Bereich des Einzelzelldispensierens. Aktuelle Arbeiten adressieren hierbei z. B. die Entwicklung eine Mikro-Tropfen-Dosier-Siliziumchip zur schnellen und präzisen Platzierung von tropfengekapselten biologischen Zellen. Die Anwendungen dieser Technologie reichen von der Befüllung von Mikrotiterplatten zur Einzelzelldiagnostik für die personalisierte Medizin bis hin zum Tissue-Engineering und dem 3D-Druck von Organen.

Laserlicht ist ein vielseitiges Werkzeug für die (Bio-)Medizintechnik und wird in der Analytik, der Materialbearbeitung und Oberflächenstrukturierung sowie in der additiven Fertigung eingesetzt. Das Fraunhofer ILT verfügt über vielfältige Technologien zur Mikro- und Nanostrukturierung, zu Aufbau- und Verbindungstechniken sowie zu 3D-Drucktechnologien. Neben Prozess- und Anlagenentwicklungen z. B. für Digital Light Processing (DLP), Stereolithographie (SLA), Multiphotonenpolymerisation (MPP) werden auch Kombinationsprozesse und Materialentwicklungen für spezielle biokompatible, photovernetzbare Polymere und Hydrogele vorangetrieben.

Schwerpunkte in der Biofabrikation:

• Berührungsloses Zellhandling durch Laser-induced Forward Transfer (LIFT) von Einzelzellen, Zellclustern und Sphäroiden mit UV- und MIR-Laserstrahlung
• Prozesskombinationen von LIFT mit optischen Analyseverfahren wie Raman- und Fluoreszenzspektroskopie
• (Vaskularisierte) Scaffolds für das Tissue Engineering durch Photopolymerisation, Laserstrukturierung und Photomodifizierung
• Mikrofluidische Strukturen für Cell-on-Chip-Systeme.

Das Fraunhofer IMS verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung von smarten Sensorsystemen auf Basis von CMOS- und MEMS-Technologien. Die Kompetenzen umfassen den Entwurf anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASICs), 3D-Integrationstechnologien, Funk- und Transpondersysteme sowie eingebettete KI-basierte Datenanalyse.

Im Geschäftsfeld Health des Fraunhofer IMS werden innovative Lösungen auf dem Gebiet der optischen und elektrischen Biosensorik für diagnostische Anwendungen in der Medizin, Life Science, Biotechnologie, Lebensmittel- und Umwelttechnik sowie der pharmazeutischen Produktion erarbeitet. Hierbei liegen die Schwerpunkte in der Entwicklung von

• Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs) zur Detektion besonders lichtschwacher Signale wie Chemilumineszenz und Raman-Streuung sowie zeitlicher Signale wie Fluoreszenzlebensdauer
• Einzelmolekül-sensitiven Nanosensoren aus biofunktionalisierten Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs), die im Nahinfrarot (NIR) fluoreszieren
• MEMS-basierten, mittels Atomlagenabscheidung (ALD) hergestellten, Nanopipetten zur zeit- und ortsaufgelösten Messung elektrophysiologischer Signale von Einzelzellen

Für die Entwicklung kundenspezifischer Sensorsysteme verfügt das Fraunhofer IMS über eine umfangreiche Infrastruktur:

• ASIC-Schaltungsdesign mit eigenem CMOS-Reinraum
• Mikrosystemtechnik (MST)-Reinraum mit Post-CMOS-Prozessen, 3D-Inegration und ALD
• Bio- und Analyselabor u. a. mit Rasterkraftmikroskopie (AFM), Fluoreszenzmikroskopie, Raman- und NIR-Spektroskopie 

Im Zentrum der Arbeiten der Abteilung Zelluläre Biotechnologie des Fraunhofer EMB steht die extrakorporale Nutzung und Bearbeitung von adhärent wachsenden Zellen. Neben zellbasierten therapeutischen Ansätzen werden in der Abteilung auch neue zelluläre Test- und Modellsysteme entwickelt. Hierfür werden neben zellulären auch organotypische Systeme aufgebaut. Diese werden entweder direkt aus dem Organismus isoliert und bis zu ihrer Verwendung kryokonserviert oder durch Organoidbildung aus den isolierten Zellen neu konstruiert.

Als Zellquelle werden neben differenzierten Primärisolationen Stammzellen aus exokrinen Drüsen, besonders aus Schweißdrüsen, verwendet. Für diese Zelltypen, wie auch für die rekonstruierten Zellaggregate hält das Fraunhofer EMB mehrere Patente.

Im therapeutischen Bereich wird der Einsatz von Schweißdrüsenzellen für die Wundheilung getestet. Im Fokus der Testsysteme für die Pharma- und Kosmetikindustrie stehen vor allem die Eigenschaften der Haut, wie Schweißbildung und Wundheilung sowie der Einfluss verschiedener Substanzen auf die Nervenzellfunktion. 

Der KMU-Akut-Cluster »SiCellNet« bildet als virtueller Forschungscampus eine zentrale Anlaufstelle für KMUs, die in diesem Produktsegment aktiv sind und für die der Cluster geeignete Prozessschritte mit gezielten Entwicklungskapazitäten und -Infrastrukturen bereitstellt. Machbarkeitsstudien zum Einzelzelldruck und Validierungsvorhaben zur chipbasierten Analyse runden die Leistungsfähigkeit des Clusters ab.

Am 13. September 2022 findet der zweite »SiCellNet«-Workshop am Fraunhofer IMM in Mainz statt.

• Erfahren Sie hier mehr zur Agenda
• Weitere Informationen auf der Webseite des Fraunhofer IMM

Wir freuen uns über Ihre Teilnahme!