Biochipbasierte Analysegeräte im Einsatz für die Gesundheit

Dank Labortests lassen sich heute viele Krankheiten zuverlässig feststellen. Meist dauert es jedoch mehrere Tage, bis die Ergebnisse dem Arzt übermittelt werden. Eine schnelle Diagnose ist jedoch oft mitentscheidend für den Therapieerfolg. Die Diagnose einer Krebserkrankung beispielsweise erfolgt in zunehmendem Maße mit Hilfe so genannter Krebsmarker, zum Beispiel Proteine oder DNA-Abschnitte, welche in Körperflüssigkeiten oder Gewebeproben nachgewiesen werden. Idealerweise soll eine solche Diagnose mittels kostengünstiger, kleiner und portabler Analysegeräte wahlweise im Krankenhaus, beim Fach- oder Hausarzt oder sogar vom Patienten selbst durchgeführt werden können, was den Vorteil hat, dass das Ergebnis innerhalb weniger Minuten vorliegt. Voraussetzung dafür ist, dass die Analysegeräte einfach zu bedienen sind und vor der eigentlichen Messung keine aufwändige Probenaufbereitung - wie beispielsweise Zentrifugieren von Blut - erforderlich ist. Für solche einfach durchführbaren Schnelltests hat sich der Begriff „Point of Care Testing (POCT)“ eingebürgert.

Am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT) im saarländischen St. Ingbert entwickelten die Wissenschaftler zusammen mit mehreren europäischen Partnern ein Gerät, bei dem die Schritte der Probenaufbereitung und Messung in einer Flüssigkeitskartusche implementiert werden sollen. Die Kartusche ist ein Einwegartikel und wird zur Durchführung einer Diagnose in ein POCT-Analysegerät eingeführt, welches alle auf der Kartusche ablaufenden Schritte steuert und letztlich das Untersuchungsergebnis auf einem Display darstellt. Das Herzstück der Analysekartusche ist ein Biochip, an dessen Kapselung und Systemintegration das Fraunhofer IBMT beteiligt war.

Obwohl Techniken zur elektrischen Chipkontaktierung aus der Mikroelektronik ausgereift sind, stellt die Aufbau- und Verbindungstechnik, wie sie für einen Biochip benötigt wird, ganz besondere Anforderungen an die verwendbaren Materialien und Prozesse. Ein grundlegender Unterschied zu reinen Mikroelektronikchips liegt darin, dass bei Biochips ein Materialtransfer nötig ist, d. h. die zu detektierenden Krebsmarker müssen zur Membran des CDR-Sensors gelangen und mit den auf der Membran immobilisierten Fängermolekülen eine Bindung eingehen. Während also der sensitive Bereich des Biochips mit der Probenflüssigkeit in Kontakt kommen muss, müssen die elektrischen Bereiche, beispielsweise die Bondpads, gekapselt sein, um jeglichen Kontakt mit der Probenflüssigkeit zu vermeiden. Im Falle des CDR-Sensors befinden sich sowohl die sensitive Siliziummembran als auch die Bondpads auf der Chipoberseite. Der geringe Abstand zwischen der Membran und den Bondpads (weniger als 700 µm) macht die elektrische Kontaktierung der Bondpads sowie deren Kapselung, bei gleichzeitigem Aussparen des Membranbereichs, zu einer besonderen Herausforderung.