Bioverfahrenstechnik
Joint Lab Bioelectronics

Mission

Mikroelektronik und Biotechnologie befinden sich in einem Konvergenzprozess, der beide Disziplinen einander näher bringt. Dieser Prozess stützt sich vor allem auf die Entwicklung von Methoden zum Verständnis und zur Manipulation von Objekten im Nanomaßstab. Aus dieser Konvergenz hat sich die neue Disziplin der Bioelektronik entwickelt, die sich mit der Integration elektronischer Systeme in biologische Umgebungen und der Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen beiden materiellen Welten beschäftigt. Ein wichtiger Trend ist die Biosensorik, wo die fortschreitende Miniaturisierung die Einführung von Mikrosensoren in biologische Systeme ermöglicht.

Das Joint Lab Bioelectronics wurde von der TU Berlin und dem IHP - Innovationen für Hochleistungsmikroelektronik zwecks dieser Entwicklung gegründet.

Regelmäßige Berichte zur Arbeit des Joint Labs finden sich auf unserem deutschsprachigen Mastodon-Kanal social.tchncs.de/@jlb 
(Wie das funktioniert erklärt der Bundesdatenschutzbeauftragten hier)

 

 

Forschung

Dielektrophorese

Wird eine biologische Zelle in Lösung einem inhomogenen elektrischen Feld ausgesetzt, kann ein Dipolmoment entstehen, das mit dem Feld in Wechselwirkung treten kann.

Wearables und Implantate

Mikroelektronische Systeme werden zunehmend in den menschlichen Körper integriert. Ausgangspunkt waren Herzimplantate wie Herzschrittmacher und Cochlea-Implantate. Aber auch viele neue Systeme zur Überwachung körpereigener Stoffwechselprodukte, technische Hilfsmittel oder Aktoren zur Schmerzbehandlung durch periphere Nervenstimulation sind in der Entwicklung.

Photonische Biosensoren

Im Rahmen eines vom BMBF geförderten Projekts wird am Joint Lab ein optischer Biosensorchip entwickelt, bei dem die Detektion durch einen Mikroringresonator erfolgt.

Internet und Privatheit

Das Internet ist heute durch das massive Abfangen privater Daten seiner Nutzer gekennzeichnet. Für medizinische Internet-of-Things-Systeme müssen dagegen hohe technische Hürden aufgebaut werden, um die sensiblen Gesundheitsdaten der Patienten vor unbefugtem Zugriff zu schützen.

Überwachung von Bioprozessen

Die Überwachung kleiner Biomoleküle stellt eine wichtige Aufgabe bei der Kontrolle von Bioprozessen dar. Trotz dieser Bedeutung wird auch nach Jahrzehnten der Forschung und Entwicklung noch immer mit Problemen der Reproduzierbarkeit, Sensordrift und Rezeptorstabilität gekämpft.

Nachhaltige Digitalisierung

Der Energiebedarf der Informations- und Kommunikationstechnologien zeigt ein stetiges Wachstum. Wäre das Internet ein Land, hätte es den weltweit sechst größten Stromverbrauch. Mit der Verbreitung medizinischer IoT-Geräten wird sich die Situation weiter verschärfen, und wir müssen einer solchen Entwicklung schon heute vorbeugen.

Lehre

Die Module und Kurse richten sich in erster Linie an Studierende der Biotechnologie oder verwandter Disziplinen (Biomedizintechnik, Chemie, Physik, Elektrotechnik, Mikrosystemtechnik). Die aktuellen Kurstermine entnehmen Sie bitte dem Vorlesungsverzeichnis. Wir empfehlen, bei der ersten Veranstaltung der Kurse anwesend zu sein, da dort die organisatorischen Rahmenbedingungen, einschließlich der Anmeldung, besprochen werden.

Einführung in die Bioelektronik

ModulEinführung in die Bioelektronik
VeranstaltungsartIntegrierte Lehrveranstaltung (IV)
ECTS9
SWS3
PrüfungPortfolioprüfung (benotet)
ModullistenBiotechnologie (Master), Biologische Chemie (Master)
Freie Wahlalle verwandten Studiengänge wie Biomedizinische Technik, Chemie, Physik, Elektrotechnik, Mikrosystemtechnik usw.
VorkenntnisseBachelor in Biotechnologie oder verwandten Fachrichtungen
SemesterSommersemester

Die Vorlesung „Einführung in die Bioelektronik“ findet jedes Sommersemester an der TU Berlin statt. Biotechnologen werden in die Grundlagen der Mikroelektronik eingeführt, die anhand von Anwendungsbeispielen aus Biologie und Medizin wie z.B. Membranpotential, EKG, Neurostimulation etc. veranschaulicht werden. Darüber hinaus finden Übungen statt, die die Lösung von internetbasierten Aufgaben und das Erlernen wichtiger EDV-Tools beinhalten. Letztere werden in einer wöchentlichen Übungsgruppe trainiert (z.B. CAD). Am Ende des Kurses können die Teilnehmer ein bioelektronisches System ihrer Wahl vorschlagen oder aus der Literatur auswählen, um es in einer Semesterarbeit mit den erlernten Methoden neu zu entwerfen und so die erlernten Techniken im eigenen Projekt anzuwenden. → zur Modulbeschreibung ohne / mit Semesterarbeit

Praktikum Bioelektronik

ModulPraktikum Bioelektronik
VeranstaltungsartPraktikum
ECTS6
SWS30 (Blockpraktikum)
PrüfungPortfolioprüfung (benotet)
ModullistenBiotechnologie (Master), Biologische Chemie (Master)
Freie Wahlalle verwandten Studiengänge wie Biomedizinische Technik, Chemie, Physik, Elektrotechnik, Mikrosystemtechnik usw.
VorkenntnisseBachelor in Biotechnologie oder verwandten Fachrichtungen, Teilnahme an der ILV "Einführung in die Bioelektronik
SemesterWintersemester

Am Ende eines jeden Semesters findet ein Praktikum in Bioelektronik statt. In einem Zeitraum von zwei Wochen werden vier Experimente zu den Themen EKG, Enzymsensor, Impedanzzellsensor und mikrofluidische Zellseparation durchgeführt. Dabei lernen die Studierenden den Umgang mit einfachen elektronischen Geräten, 3D-Druckern, mikrofluidischen Pumpen und modernen Mess- und Regelsystemen auf Basis von Einplatinencomputern wie Arduino und Raspberry Pi. Ein ausführliches Skript dient als gründliche Vorbereitung. → Modulbeschreibung

Projektarbeit

Aufgrund des zunehmenden Interesses an Projektarbeiten werden im Rahmen der Lehrmodule Vertiefungsmodul Biotechnologie FG BVT und Angewandete Biotechnologie aus Sicht der Bioverfahrenstechnik immer mehr praktische Kurse zur Bioelektronik angeboten.

Für diejenigen, die sich für eine Bachelor- oder Masterarbeit interessieren, führen wir ausführliche Gespräche über ihre bisherigen Arbeiten und Interessen, um ihre Stärken und Bereiche zu identifizieren, in denen sie ihr Potenzial weiter entwickeln können. Die zuletzt begonnenen Arbeiten lagen in den Bereichen Zellseparation von Mikroalgen, sensorische Analyse von Metaboliten, Zelldichtemessung in Screeningverfahren, etc. → Modulbeschreibung

Thesis

Master- und Bachelorarbeiten können im Joint Lab Bioelectronics in den unter "Forschung" aufgeführten Bereichen durchgeführt werden. Sprechen Sie uns einfach an, wenn Sie Interesse haben. In einem Gespräch werden wir gemeinsam ein geeignetes Thema entwickeln, das entweder für ein laufendes Forschungsprojekt bearbeitet werden muss oder das zu Ihren Stärken und Schwächen passt. In der folgenden Liste sind - ohne Anspruch auf Vollständigkeit - einige mögliche Themen aufgeführt.

Die Ausschreibungen richten sich an Studierende der Biotechnologie oder anderer Lebenswissenschaften. Aufgrund unserer Kooperation mit der Fakultät IV können sich auch interessierte Studierende der Elektronik und Informatik bewerben.

Elektrische Zellseparation in mikrofluidischen Kanälen. Der grundlegende Effekt ist die Dielektrophorese. Für Biowissenschaftler stellt sich die Frage nach der Anwendbarkeit auf Mikroalgen und andere zu untersuchende Mikroorganismen. Aus Sicht der Elektronik und Informatik ist dagegen von Interesse, wie die elektrischen Zelleigenschaften bestimmt werden können oder wie der Trenneffekt mit Methoden des maschinellen Lernens optimiert werden kann.

Inline-Prozess-Sensoren. Für das Labor der Zukunft am FGBVT werden Mikrosensoren entwickelt und getestet, die den Bioprozess in Mikrotiterplatten oder Minibioreaktoren überwachen. Dazu gehören Sensoren für die Überwachung von Biomasse sowie von Metaboliten. Zur Messung der Biomasse oder der Zelldichte wird das Prinzip der Impedanzmessung verwendet. Für Metaboliten wie Glukose verwenden wir spezielle Rezeptor-Assays wie ConcanavalinA-Dextran.

Datenschutz für medizinische Implantate. Chemische Sensoren, z. B. für Glukose, stehen kurz davor, als Vollimplantate in der medizinischen Diagnostik eingesetzt zu werden. Damit eröffnen sich völlig neue Perspektiven für die Therapie schwieriger Krankheiten wie Diabetes. Doch wie steht es um die Privatsphäre der gewonnenen Daten? Wie sind die technischen Systeme zu gestalten, damit sie die strengen Anforderungen der im vergangenen Jahr in Kraft getretenen DSGVO erfüllen? Diese Fragen wurden in der Vortragsreihe "Internet und Datenschutz" diskutiert und es sollen Lösungsansätze untersucht werden, die sich am Entwicklungsstand von Fitness-Trackern orientieren.

Elektrisch angetriebene Lyse von Zellen. In der Nukleinsäurediagnostik müssen die zu untersuchenden Nukleotidstränge zunächst aus den Zellen isoliert werden. Während Detektion und Sequenzierung inzwischen miniaturisiert sind, ist dies bei der Lyse noch nicht der Fall. Ziel der Arbeiten ist es, ein chipbasiertes System zu bauen, mit dem der Lyseprozess effizient betrieben werden kann. Am FG Sensorik und Aktuatorik soll ein elektronisches System auf der Basis handelsüblicher Komponenten entworfen und gebaut werden, das einen "passiven" Chip mit Au- oder TiN-Elektroden steuert. Bei FG BVT wird das System getestet und Protokolle für verschiedene Zelltypen untersucht, um maximalen Durchsatz und Effizienz zu erreichen.

Team

Prof. Dr. Mario Birkholz

Seit 2012 leitet Mario Birkholz gemeinsam mit Peter Neubauer das von der TU Berlin und dem Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP) gegründete Joint Laboratory for Bioelectronics. Seine Forschungsschwerpunkte sind photoaktive Membranproteine, Solarzellenmaterialien, Strukturuntersuchungen an thin films und - seit 2004 - der Einsatz der Mikroelektronik in der Biotechnologie.

Das aufstrebende Gebiet der Bioelektronik ist deshalb so faszinierend, weil es die Tür zu einer Verschmelzung von Funktionsmaterialien aus Technik und Natur öffnet. In seiner Vorlesung "Einführung in die Bioelektronik" bringt Prof. Birkholz diesen Ansatz jedes Sommersemester den Studierenden nahe und führt angehende Biotechnologen in die modernen Techniken der Mikroelektronik ein.

Aktuelle Forschungsprojekte beschäftigen sich mit der Zellmanipulation mit elektrischen Techniken sowie mit dem Einsatz von Mikrosensoren zur Überwachung von Bioprozessen. Darüber hinaus wurde ein implantierbarer Biosensor zur Überwachung des Blutzuckerspiegels entwickelt. Hier, wie auch bei eHealth im Allgemeinen, stellt sich die Frage, wie die gewonnenen Daten den Patienten und der Medizin zur Verfügung gestellt werden können, ohne die Privatsphäre zu verletzen.

Kontakt:

Joint Lab Bioelectronics
Insititut für Biotechnologie
Ackerstr. 76, 13355 Berlin
Room Z33
+49 30 314-21159
E-Mail

Scientists & Graduates

NameVornameTitleE-MailTelefon (030) 314-
AndersHenrikssonDr.henriksson@tu-berlin.de72023
AltmannMadelineBSc 72023
BuhurNecatiBSc 72023
PokoraMarcBSc 72023
SchrenkPhilippcand. BSc 72023
SchulzeLisaBSc 72023

Veröffentlichungen

Paper

Präsentationen auf Konferenzen

  • M. Kögler, J. Hooyberghs, M.Birkholz, Technical and Societal Requirements for Handling of Personal Data on Wearable Devices, Electronic Goes Green, Berlin, Juni 2024
  • S. Rödiger, M. Kögler, M.Birkholz, Open-Source Software, Fediverse and Custom ROMs as Tools for a Sustainable Internet, Electronic Goes Green, Berlin, Juni 2024
  • M.Birkholz, Innovations in Electronics - Friend or Foe in Achieving Sustainability?, Electronic Goes Green, Berlin, Juni 2024
  • P. Schrenk, A. Henriksson, C. Borgmeier, P. Neubauer, M.Birkholz, Improving Sensitivity of Microring Resonators for Photonic Biosensors, DPG Spring Meeting, Berlin 2024
  • M. Altmann, A. Henriksson, P. Neubauer, M.Birkholz, Separation of Viable and Non-viable Legionella cells by a Quantifiable Dielectrophoresis Approach, DPG Spring Meeting, Berlin 2024 
  • M.Birkholz, M.Kögler, Sustainable Design of Online Biosensors, European BioSensor Symposium 2023
  • A. Henriksson, M. Altmann, P. Neubauer, M. Birkholz, Silicon photonic supported by dielectrophoresis for detecting microbes, European BioSensor Symposium 2023
  • N. Boldt, J. Späth, S. Hartmann, M. Birkholz, R. Thewes, The Impact of Signal Quality in Dielectrophoresis Experiments, BioCAS Conference Taipeh 2022
  • D. Malti, A. Barai, M.E.P. Emmerich, L.I.M. Hinze, P. Neubauer, M. Birkholz, Separation of microalgae and polystyrene particles by Dielectrophoresis, BioProScale Symposium 2021 Online, Berlin, März 2022
  • M. Birkholz, M. Kögler, K. Paulick, Wie viel Energie verbraucht mein Handy, um mich zu überwachen? Workshop auf dem Bits&Bäume-Kongress Berlin 2022
  • S. Hartmann, L. Raue, M. Emmerich, P. Neubauer, M. Birkholz, Electroporation of PUFA-Producing Dinoflagellate, 7thBioProScale Symposium 2022, Berlin, März 2022
  • A. Henriksson, J. Marland, A. Tsiamis, S. Smith, M. Birkholz,  System integration of a dielectrophoretic assisted microring resonator biosensor platform, Mikrosystemtechnik Kongreß, Ludwigsburg, November 2021
  • A. Frey, N. Boldt, A. Barai, M. Birkholz, I. Kühne, R. Thewes, Modeling and Analysis of the Electrolyte Voltage Drop in Dielectrophoresis Actuators, BioCAS 2021, Berlin, Oktober 2021 
  • N. Boldt, D.E. Malti, S. Damm, A. Barai, M. Birkholz, R. Thewes,  Impedance Matching in Dielectrophoresis Experiments, BioCAS 2021, Berlin, Oktober 2021 
  • A. Henriksson, M. Jäger, L. Kasper, P. Neubauer, M. Birkholz, Applying Dielectrophoresis to Improve a Microring Resonator Biosensor Platform, BioProScale Symposium 2021 Online, Berlin, März 2021
  • A. Barai, J. Flügge, A. Hutari, P. Neubauer und M. Birkholz, Dielektrophorese-basiertes Lab-on-Chip-System zur Separation von Mikroalgen, 8. MikroSystemTechnik Kongress, 2019, Berlin