Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS beendete das Projekt mit klaren Ergebnissen: Ein leistungsfähiges Laborökosystem für Nanosensorik ist aufgebaut, technologische Grundlagen sind etabliert, und der Weg in Anwendungen ist mit Pilot- und Machbarkeitsstudien geebnet. InsituBIOS wurde im Rahmen des Förderprogramms Fraunhofer Attract realisiert, das exzellenten externen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern die Umsetzung ihrer Ideen in einem marktnahen, anwendungsorientierten Umfeld ermöglicht.

Ziel von insituBIOS (biohybride, hochsensitive Nanosensoren für die In situ Diagnostik in der Biomedizin und Umweltanalyse) war die Entwicklung biohybrider, hochsensitiver Nanosensoren, die chemische und biologische Spezies schnell, spezifisch und möglichst direkt im Einsatzumfeld detektieren – von Geweben und Körperflüssigkeiten in der biomedizinischen Diagnostik bis zur Umweltanalyse. Ein Schwerpunkt am Fraunhofer IMS liegt auf optischen Sensoren, die spezielle Fluoreszenzsignale im nahen Infrarotbereich (780–1700 nm) nutzen und damit kontaktlos durch Gewebe und Flüssigkeiten messen können. So entstehen präzise, integrierbare Sensorkomponenten für Infektionsdiagnostik, Krankheitsüberwachung, Umwelt- und Schadstoffdetektion sowie die Prozesskontrolle in Bio- und Chemietechnologie.

Ergebnisse in Zahlen

• 21 wissenschaftliche Publikationen
• 4 erfolgreich abgeschlossene Promotionen
• 15 Bachelor- und Masterarbeiten
• 9 neu gestartete Projekte
• 5 Erfindungsmeldungen (IP-Basis)

Laborinfrastruktur: Skalierbar, integriert, anwendungsnah
Dank der Projektförderung durch insituBIOS sowie ergänzender strategischer Investitionen konnte die Laborbasis am Fraunhofer IMS deutlich ausgebaut werden. Insgesamt wurden rund 120 m² neue Biolaborfläche geschaffen, in denen die geplante biologische Sicherheitsstufe sowie die erforderlichen baulichen Maßnahmen nahezu vollständig umgesetzt sind. Hier entstanden Nanomaterial- und Biosensorbereiche mit halbautomatisierten Workflows für die Sensorintegration, mikrostrukturierte funktionale Oberflächen, die automatisierte Probenhandhabung sowie Testprozesse. Ergänzt werden diese durch Arbeitsplätze für die Kultivierung von Zellen und Mikroorganismen – einschließlich steriler Handling-Prozesse, Autoklaven, Inkubatoren – sowie für molekularbiologische und diagnostische Verfahren.

Zusätzlich wurden etwa 50 m² Laborfläche für die optische und physikalisch-chemische Analytik aufgebaut. Diese umfassen die Charakterisierung funktionalisierter Materialien, die Testung von Biosensoren sowie Infrastrukturen für die Process Analytical Technology (PAT) in der Bioprozesstechnik.

Technologischer Meilenstein
Mit Abschluss von insituBIOS sind zentrale Bausteine für die Nanosensor Entwicklung am Fraunhofer IMS etabliert. Darauf aufbauend demonstriert das Team TRL 4 Reifegrade in Pilot- und Machbarkeitsstudien – der Schritt von der wissenschaftlichen Idee hin zu robusten, anwendungsorientierten Demos ist getan.

Anwendungen und Kompetenzaufbau
Die im Projekt insituBIOS gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen eröffnen vielfältige Anwendungsperspektiven. Sie leisten unter anderem Beiträge für die Pharmaforschung, etwa in den Bereichen Zelltherapien, Lab-on-Chip-Systeme und Bio-Imaging. Auch für die In-vitro- und Companion-Diagnostik bieten die Entwicklungen großes Potenzial – insbesondere bei der Detektion von Infektionen, Erkrankungen des Zentralnervensystems und in der Onkologie.

Zudem wurden Pilot- und Machbarkeitsstudien mit praxisnahen Demonstratoren auf Technologiereifegrad 4 (TRL 4) umgesetzt, die den Transfer in konkrete Anwendungen vorbereiten.

Mit den Forschungsbereichen „Nanosensoren für biomedizinische Anwendungen“, „Smart Surfaces“ und „Hyperspectral NIR Imaging“ positioniert sich das Fraunhofer IMS für den Technologietransfer in Industrie und Gesundheitssystem. Kundenvorteile sind die schnelle, präzise und kontaktfreie Detektion einer breiten Palette an Analyten, hohe Sensitivität und Flexibilität, die Integration in bestehende Workflows sowie eine personalisierbare Sensor‑ und Optikentwicklung.

Fraunhofer Attract: Brücke zwischen exzellenter Forschung und Industrie
InsituBIOS ist Teil des Fraunhofer-Attract-Programms, mit dem Fraunhofer exzellente Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit innovativen Ideen und hohem Transferpotenzial gewinnt. In diesem Rahmen konnte das Fraunhofer IMS Prof. Dr. Sebastian Kruss von der Ruhr-Universität Bochum für das Institut gewinnen. Seine Expertise war entscheidend für die erfolgreiche Umsetzung von insituBIOS und den Aufbau neuer Kompetenzfelder am IMS.

Fraunhofer Attract ermöglicht den Aufbau eigener Forschungsgruppen mit Personal- und Budgetverantwortung, fördert wissenschaftliche Qualifizierung und unterstützt den Transfer in marktorientierte Anwendungen. So entstehen neue Forschungs- und Geschäftsfelder, während Fraunhofer seine Rolle als Innovationsmotor durch IP-Aufbau, Folgeprojekte, Lizenzierungen und langfristig mögliche Ausgründungen weiter stärkt.

Ausblick
Mit der geschaffenen Infrastruktur, der IP-Basis und den Folgeprojekten setzt das Fraunhofer IMS den Ausbau eines neuen FuE-Segments in der Nanosensorik fort. Ziel ist es, gemeinsam mit Partnern aus Pharma, Diagnostik, Umwelt- und Prozesstechnik skalierbare Systeme von der Pilotphase in die klinische und industrielle Anwendung zu überführen.

Weitere Informationen Details zu Nanosensoren am Fraunhofer IMS:
https://www.ims.fraunhofer.de/de/Kernkompetenz/Te.