Interview: Ein ganzes Labor auf einem Chip?

Interview mit Dr. Rico Huhnstock, Teilgruppenleiter „Funktionale dünne Schichten“ am Institut für Physik bei Prof. Dr. Arno Ehresmann, Fachgebiet „Funktionale dünne Schichten und Physik mit Synchrotronstrahlung“.

• Herr Dr. Huhnstock, was kann ich mir unter „Funktionale dünne Schichten“ vorstellen?

Dr. Rico Huhnstock: Wir beschäftigen uns vor allem mit magnetischen dünnen Schichten, aufgetragen auf flachen Chips. Ein konkretes Anwendungsbeispiel aus der Vergangenheit wäre ein Computer-Speicherchip. Frühere PCs hatten für gewöhnlich Festplatten, auf denen magnetische dünne Schichten aufgetragen waren. Dort wurden die Informationen, die typischerweise aus logischen 0en und 1en bestehen, eingeschrieben, indem man einen Magnetisierungszustand festgelegt hat. Eine Magnetisierung bezeichnet wie bei unseren Magneten aus dem Alltag die Nord- und Südpol-Ausrichtung. Auf der dünnen Schicht in der Festplatte wurden diese Pole so festgelegt, dass bei einer Richtungsauslegung eine 1 zustande kommt, bei einer anderen eine 0. So konnten die 0en und 1en in die Schicht eingeschrieben werden. Diese früheren Festplatten hatten jedoch den Nachteil, dass das schnelle Schreiben und Auslesen der logischen Zustände über ein mechanisches Verfahren erfolgte. Dementsprechend waren Zugriffsgeschwindigkeiten begrenzt und es konnte schnell zu Verschleiß kommen. Daher wurden magnetische Festplatten um die Jahrtausendwende von der SSD-Technik abgelöst, die diese Problematik nicht aufweist. Sie haben aber weiterhin auch in diesem Bereich eine Relevanz, z.B. in großen Speicherzentren, da die Speicherkapazität generell etwas höher liegt als bei SSD-Festplatten und sie im Durchschnitt günstiger sind.

• Woran forschen Sie derzeit in Ihrer Gruppe?

Dr. Rico Huhnstock: Wir führen vor allem Grundlagenforschung durch. In einem von der DFG geförderten Projekt stellen wir magnetische dünne Schichten her und setzen kugelförmige magnetische Partikel im Größenbereich von Nano- und Mikrometern darauf. Diese Kügelchen bestehen im Wesentlichen aus Eisen-Nanopartikeln, welche von einer Polymerschicht im Partikel eingeschlossen werden. Durch spezielle Magnetisierungszustände in der darunterliegenden Schicht bringen wir die Partikel in Bewegung. Genau diese Bewegung bzw. der von uns initiierte Transport der Partikel interessiert uns. Für die Untersuchungen kommen verschiedenste Messtechniken zum Einsatz, unter anderem auch KI-gestützte Methoden. Ziel ist es, diese Partikel gezielt steuern zu können.

• Wie machen Sie das?

Dr. Rico Huhnstock: Vielleicht kennen Sie das noch aus dem Schulunterricht: Wenn man Metallspäne um einen Hufeisenmagneten legt, kann man die Feldlinien des Magneten sichtbar machen. Ebenso werden die kleinen Partikel, die wir verwenden, von unseren erzeugten magnetischen Schichten angezogen, da diese definierte mikroskalige Magnetfelder erzeugen. Mit einer speziellen Technik können wir die Verteilung der Magnetfelder festlegen und damit definieren, wo Partikel sich oberhalb der Schicht anlagern. Zudem installieren wir in unseren Experimenten weitere Magnetfelder von makroskopischer Skala durch größere Spulen. In Kombination mit den mikroskopischen Feldern, die von der Schicht stammen, sind wir dann in der Lage, die Partikel oberhalb der Schicht in kontrollierter Art und Weise hin und her zu bewegen.

• Was ist das Ziel Ihrer Untersuchungen?

Dr. Rico Huhnstock: Wir wollen diese Partikelbewegungen dazu nutzen, um so genannte „Westentaschen-Labore“ bzw. „Lab-on-the-Chip“-Systeme zu realisieren. Hier kann ich nochmal das Beispiel mit den Festplatten bringen. Es gibt das Bestreben, Dinge immer weiter zu miniaturisieren, damit weniger Platz und weniger Werkstoff benötigt wird. Auch in der medizinischen Diagnostik wäre dies von Vorteil. Irgendwann in der Zukunft, wenn man zum Hausarzt geht und sich nicht gut fühlt, muss keine Blutprobe mehr vom Hausarzt an ein Labor geschickt werden, in dem das Laborpersonal mit teuren Maschinen und Instrumenten aufwendige und kostenintensive Untersuchungen durchführt, die dann auch noch mehrere Tage dauern. Das alles könnte effizienter und kostengünstiger gestaltet werden, wenn es Schnellnachweise gäbe, die genauso zuverlässig funktionieren wie die Analysen im Labor. Vielleicht wären diese Schnelltests am Anfang noch eher beim Hausarzt anzuwenden, aber Ziel ist es irgendwann, dass sie auch in der Apotheke oder der Drogerie erhältlich sind und die Diagnose sogar zuhause stattfinden kann, so wie bei den Covid19-Schnelltests während der Corona-Pandemie. Damit es soweit kommt, sind als nächster Schritt allerdings erstmal die Ingenieure gefragt, diese Technik mit magnetischen Chips in einen miniaturisierten Aufbau zu verpacken, sodass man schließlich nur noch ein kleines handliches Gerät benötigt.

• Mit welcher Methode wollen Sie die von Ihnen angesprochenen "Lab-on-the-Chip"- Systeme verwirklichen?

Dr. Rico Huhnstock: Unser Ansatz beruht darauf, mithilfe der Partikel auf der magnetischen Schicht Viren oder andere Bio-Substanzen, die charakteristisch für eine Erkrankung sind, wie beispielsweise bestimmte Proteine „einzufangen“ und sie damit nachzuweisen. Magnetische Partikel haben für uns den Vorteil, dass wir sie über magnetische Felder bewegen und ihre Sprünge messen können. Setzen sich Viren oder andere Bio-Substanzen auf die Partikel, werden sie zum Beispiel schwerer und langsamer, das wollen wir in zukünftigen Untersuchungen messen. Zudem sind die eingesetzten Magnetfelder harmlos für biologische Materialien. Schließlich haben Partikel eine Oberfläche, die wir mit so genannten Fängermolekülen belegen können. Fängermoleküle sind in der Lage, nur die eine Substanz, für die wir uns interessieren, einzufangen. Das kennt man in der Biologie dann unter dem so genannten Schlüssel- und Schloss-Prinzip. Es gibt also einen Schlüssel, der nur in das eine Schloss hineinpasst, etwa ein Virus oder ein Protein, und das Schloss ist das Fängermolekül.

Die magnetischen Partikel (blaue Kugeln) besitzen eine Fängergruppe (gelbe „Mütze“), die es den Partikeln erlaubt, die Substanz von Interesse (z.B. ein Virus) zu binden. Die Partikel werden über den Chip aufgrund der magnetischen Streifen im Chipsubstrat (winzige Magnete mit unterschiedlichen Nord-/Südpol Ausrichtungen) bewegt. Im ersten Schritt werden die Partikel durch einen Kanal geleitet, durch den die zu untersuchende Flüssigkeit (Körperprobe) fließt. In dieser schwimmen alle möglichen Arten von Substanzen, symbolisiert durch Pyramiden, Würfel und Kugeln. Die Partikel sollen jedoch nur die roten Kugeln mit den gelben Fängergruppen einfangen (spezifische Bindung). Unspezifisch binden jedoch zunächst auch einige der anderen Substanzen aus der Probenflüssigkeit. Diese werden im nächsten Kanal abgewaschen durch eine fließende Flüssigkeit, in der sich nichts weiter aufhält. Im dritten und letzten Kanal werden sogenannte fluoreszierende Proteine an die Partikel gebunden, welche am Ende das Partikel zum Leuchten bringen sollen. Zum Schluss werden die Partikel durch Kanalwände physisch aufkonzentriert, ähnlich einem Trichter, um ein möglichst großes Leuchtsignal zu erhalten.

• Wurde bei den Covid19-Tests schon diese Technik angewandt, die Sie untersuchen?

Dr. Rico Huhnstock: Nein, diese Covid19-Schnelltests sind nicht magnetisch. Dort werden tatsächlich auch Partikel, die meistens aus Gold oder Silber bestehen, auf einen Chip aufgetragen. Diese sind dann in der Lage, Viren einzufangen, in dem Fall die Covid19-Viren, die man durch die Flüssigkeit auf den Chip gibt. Die Bewegung der Viren bzw. Partikel erfolgt dann über Ausbreitung der Flüssigkeit in einer papier-ähnlichen Membran. An den Teststreifen können die Partikel nur dann binden, wenn der Virus mit dranhängt, womit dann eine Verfärbung des Streifens eingeleitet wird. Typischerweise werden jedoch recht hohe Viruskonzentrationen benötigt, damit dies geschehen kann. Hier wollen wir ansetzen und über die Verwendung magnetischer Partikel als „Virenfänger“ die Nachweisschwelle für solche Schnelltests deutlich nach unten setzen. Außerdem eröffnet es uns die Möglichkeit, über ein entsprechendes Nachweisverfahren die Menge an vorhandenen Viren zu quantifizieren. Dies ist mit zurzeit gängigen Schnelltests in der Regel nicht möglich.

• Das Forschungscluster BiTWerk, dem Ihr Chef, Prof. Dr. Arno Ehresmann angehört, setzt es sich zum Ziel, unterschiedliche Werkstoffe wie Kunststoff, Metall oder Beton und ihre Eigenschaften beginnend mit den Produktionsprozessen über die Nutzung bis hin zum Recycling als untrennbare Einheit zu betrachten, um somit eine vollständig biologisierte Prozesskette zu etablieren. Durch Effizienzsteigerung und damit der Einsparung von natürlichen Ressourcen hat dies unmittelbaren Einfluss auf den ökologischen Fußabdruck in Industrie als auch individuell. Die beteiligten Wissenschaftler:innen und Ingenieur:innen wollen von der Natur lernen bzw. sich abgucken, wie dort diese Prozesse ablaufen und sie für den Menschen nutzbar machen. Ein Schwerpunkt dabei ist etwa die Integration von Funktionen in Werkstoffe. Dadurch können die Materialien effizienter genutzt werden und ein Teil kann eingespart werden. Wie ordnen Sie Ihre Forschung in diesen Kontext ein?

Dr. Rico Huhnstock: Ein Prinzip, das unser Immunsystem auszeichnet, ist die Immunreaktion des Körpers, wenn z.B. bösartige Viren in den Körper gelangen. Sofort werden Antikörper freigesetzt, die in der Lage sind, diese fremdartigen Organismen einzufangen. Das tun sie sehr spezifisch über entsprechende Bindungen. Dieses Bindungsprinzip, also wie schon oben beschrieben Schlüssel und Schloss, wollen wir nutzen, um unser Vorhaben mit dem“ Lab-on-the-Chip“ zu realisieren. Außerdem geht es natürlich auch hier darum, durch die erstrebte Miniaturisierung und die Integration von „Laborfunktionen“ auf einen einzigen winzigen Chip effizienter zu arbeiten und Werkstoffe einsparen zu können.

• Sie arbeiten mit den Fachgebieten von Prof. Dr. Bernhard Sick, „Intelligente eingebettete Systeme“, und von Prof. Dr. Peter Lehmann, „Messtechnik“, zusammen, die ebenfalls Teil von BiTWerk sind. Was ist die Schnittmenge Ihrer Forschung?

Dr. Rico Huhnstock: Aus dem Fachgebiet „Intelligente eingebettete Systeme“ wenden wir die dort entwickelten KI-Methoden an. Beispielsweise können wir so die Videos, die wir von der Partikelbewegung aufnehmen, besser auswerten. Die Zusammenarbeit mit der Messtechnik besteht ebenfalls darin, Methoden der Auswertung, in diesem Fall dort entwickelte Messverfahrenstechniken, anzuwenden, um die vertikale Position der Partikel zu untersuchen. Wir können unter dem Mikroskop schon sehr gut bewerten, wie sich die Partikel in der Ebene bewegen, aber wir interessieren uns auch dafür, wie sie sich vertikal über mehrere Ebenen verhalten. Wie etwa verläuft die Interaktion zwischen der Oberfläche des Partikels und des Chips, wenn Viren an die Partikel gebunden haben und wie beeinflusst dies den vertikalen Abstand? Das wäre ein weiteres Tool, die Bindung von Biosubstanzen an Partikel nachzuweisen.

• Was interessiert Sie an Ihrer Forschung?

Dr. Rico Huhnstock: Es gibt immer wieder neue Ideen und Ansätze, schon allein zum Partikeltransport, die ich verfolgen möchte. Zudem sind die Schnittpunkte zu anderen Fachgebieten in diesem Bereich sehr ausgeprägt. Es macht Spaß, diese zu finden und eine interdisziplinäre Zusammenarbeit anzustreben. Für mich geht es also hier nicht um Hardcore-Physik, die in ihrer Anwendbarkeit im Ungefähren bleibt, sondern gerade über diese Interdisziplinarität ein konkretes Ziel zu verfolgen, reizt mich. Es geht schon damit los, dass die Partikel sich in Flüssigkeiten bewegen, somit müssen wir chemische Parameter beachten. Wenn Viren ins Spiel kommen, ist natürlich auch die Biologie dahinter sehr wichtig. Ich bin gerne ein Teil dieser gemeinsamen Forschung und möchte sie weiterentwickeln. Derzeit bauen wir beispielsweise eine Kooperation mit der Pathologie des Uniklinikums Freiburg auf, die unsere Forschung zur Anwendung bringen will. Das ist schon sehr spannend und schön zu sehen, wenn man solche Synergieeffekte erzielen kann.

• Sie haben Physik studiert?

Dr. Rico Huhnstock: Nein, Nanostrukturwissenschaften in Kassel. Schon dieser Studiengang setzt auf Interdisziplinarität, da man von allen Naturwissenschaften Wissen vermittelt bekommt und seinen Schwerpunkt während des Studiums noch selbst finden kann. Dadurch lernt man auch das Fachvokabular aller Fächer, was sehr nützlich in der späteren Forschung ist. Tatsächlich hatte ich vor Beginn meines Studiums noch keine Idee, in welche Richtung es gehen soll. Mit der Zeit hat es sich aber klar für mich herausgestellt, dass es die Experimentalphysik werden soll.

• Warum haben Sie in Kassel studiert?

Dr. Rico Huhnstock: Weil das meines Wissens damals die einzige Uni war, die einen solchen interdisziplinären Studiengang angeboten hat. Ursprünglich komme ich aus der Nähe von Hamburg, aber dieses Studium hat mich nach Kassel gebracht.

• Was sind Ihre nächsten Forschungsvorhaben?

Dr. Rico Huhnstock: Gerade bin ich dabei, bei der DFG ein Forschungsprojekt für ein Gerät zu beantragen, das wir selbst aufbauen wollen, also nicht nur kaufen, sondern wirklich selbst entwickeln. Es basiert ebenfalls auf der Untersuchung von Partikeln und soll in der Lage sein, die vertikale Position von so vielen Partikeln wie möglich mit KI-Methoden zu ermitteln. Hier geht es wie eben bereits beschrieben im Besonderen um den vertikalen Abstand der Partikel zur Oberfläche des Chips. Mit dieser Apparatur können wir dann hoffentlich auch die Wechselwirkung zwischen der Oberfläche des Partikels und des Chips intensiv untersuchen. Aber auch dieses Gerät soll später nicht nur von uns, sondern auch von anderen Arbeitsgruppen genutzt werden können. Wir tragen damit also vielleicht zum Forschungsfortschritt in mehreren Fachgebieten und damit zur Interdisziplinarität untereinander bei.

• Herr Dr. Huhnstock, wir danken Ihnen für dieses Gespräch.

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