Dr. Maximilian Becker: FeMEA
Unser Körper funktioniert durch elektrische Signale. Nervenzellen im Gehirn oder in der Netzhaut senden ständig kleine elektrische Impulse. Diese Signale zu messen und gezielt zu beeinflussen, ist wichtig für die medizinische Forschung – zum Beispiel für neue Therapien mithilfe verbesserter Neuroimplantate, aber auch für die Entwicklung neuer Medikamente.
Wie neue Materialien die Kommunikation mit Zellen verbessern können
Im Projekt “FeMEA” werden neuartige “Zell-Chips” entwickelt. Diese Chips sind nur wenige Millimeter groß. Auf einer Fläche von nur einem Quadratmillimeter – etwa so groß wie die Spitze eines Kugelschreibers – befinden sich mehr als 5.000 winzige Elektroden. Mit ihnen können elektrische Signale von Zellen gemessen und bei Bedarf auch gezielt ausgelöst werden.
Solche Chips werden auch Mikroelektrodenarrays (MEAs) genannt. Sie werden in der Forschung eingesetzt, um das Verhalten von Nervenzellen zu untersuchen. Gleichzeitig können sie genutzt werden, um Zellen gezielt elektrisch zu stimulieren.
Eine große Herausforderung dabei ist die Grenzfläche zwischen Technik und lebenden Zellen. Bei der Verwendung konventioneller metallischer Elektroden für die Neurostimulation ist es sehr schwierig, schädliche chemische Reaktionen an der Grenzfläche zu vermeiden. Diese chemischen Reaktionen führen zu einem direkten Stromfluss über die Grenzfläche, wodurch insbesondere Korrosion entstehen kann. Ideal wären Elektroden, die stark genug stimulieren können, dabei aber keine schädlichen chemischen Reaktionen auslösen. Genau hier setzt das Projekt an.
Die Forschenden verwenden daher erstmalig ferroelektrische Materialien als besondere Beschichtung für die Elektroden. Diese Materialien können elektrische Ladungen an ihrer Oberfläche speichern und umschalten. Dadurch entsteht eine stabile elektrische Kopplung zwischen Chip und Zellen, ohne direkten Stromfluss durch chemische Reaktionen. So kann insbesondere die Schnittstelle zwischen Chip und Gewebe langfristig stabiler arbeiten.
Um die Eigenschaften ferroelektrischer MEAs besser zu verstehen, werden die Chips mit speziellen Messmethoden untersucht. Dabei analysieren die Forschenden zum Beispiel, wie viel elektrische Ladung eine Elektrode sicher übertragen kann und wie stark das elektrische Rauschen ist.
Langfristig können solche Technologien helfen, neue Werkzeuge für die medizinische Forschung zu entwickeln. Dazu gehören Anwendungen in der Neurotechnologie, bei der Entwicklung neuer Medikamente oder bei zukünftigen Implantaten, die mit dem Nervensystem kommunizieren.
Nachwuchsgruppenleiter Dr. Maximilian Becker
Herr Dr. Maximilian Becker studierte Physik an der Universität Tübingen und promovierte dort 2021 in Zusammenarbeit mit dem NMI Reutlingen, wobei er erstmalig das Konzept ferroelektrischer Mikroelektroden vorschlug. Von 2021 bis 2023 arbeitete er als wissenschaftlicher Mitarbeiter (Postdoc) an der Universität Cambridge (Vereinigtes Königreich) am Institut für Materialwissenschaften und Metallurgie, wo er sich hauptsächlich mit der Anwendung ferroelektrischer Materialien in biologisch inspirierten (neuromorphen) Speicherelementen beschäftigte. Seit 2024 ist er Leiter der Gruppe Bioelektronische Sensoren am Hahn-Schickard-Institut in Freiburg und Villingen-Schwenningen. Seit 2025 wird seine Forschung durch das NanoMatFutur-Programm des BMFTR gefördert. Seine Forschungsschwerpunkte sind ferroelektrische Mikroelektrodenarrays (FeMEAs) in CMOS-Technologie, neuromorphes Computing und die Physik ferroelektrischer bioelektronischer Schnittstellen.