"Bioengineering" wird allgemein als ein Verbund naturwissenschaftlich-technischer Disziplinen verstanden, die sich mit der Analyse und dem Entwerfen biologischer Systeme, insbesondere von Gewebe, Zellen und Molekülen befassen. Die Entwicklungen in diesen Bereichen sind so rasant, dass eine eigens dafür gegründete und im Jahre 2023 erstmals erschienene Fachzeitschrift "Nature Reviews Bioengineering" bereits ein Jahr später einen repräsentativen Überblick zum Stand der Forschung anhand ausgewählter Beiträge dokumentieren konnte. Gemeinsamer Tenor ist dabei, dass die grundlegenden Veränderungen der biomedizinischen und gesundheitswissenschaftlichen Forschung zum großen Teil auf technologische Fortschritte zurückzuführen sind.
Daher soll zunächst ganz knapp ein Einblick in den Bereich der Grundlagenforschung zu "elektronischen Materialien" gegeben werden, in dem sich Physik, Chemie und Biologie immer mehr zu durchdringen beginnen. Im Anschluss daran soll exemplarisch eine Forschungsperspektive für die Biomedizin angesprochen werden, nämlich die sog. "biohybride regenerative Bioelektronik".
Unterwegs zu den Tiefenstrukturen der Materie – „bioengineering“ in neuen Dimensionen
„Bioengineering“ wird allgemein als ein Verbund naturwissenschaftlich-technischer Disziplinen verstanden, die sich mit der Analyse und dem Entwerfen biologischer Systeme, insbesondere von Gewebe, Zellen und Molekülen befassen. Die Entwicklungen in diesen Bereichen sind so rasant, dass eine eigens dafür gegründete und im Jahre 2023 erstmals erschienene Fachzeitschrift „Nature Reviews Bioengineering“ bereits ein Jahr später einen repräsentativen Überblick zum Stand der Forschung anhand ausgewählter Beiträge dokumentieren konnte.1 Gemeinsamer Tenor ist dabei, dass die grundlegenden Veränderungen der biomedizinischen und gesundheitswissenschaftlichen Forschung zum großen Teil auf technologische Fortschritte zurückzuführen sind.2
Daher ist es angebracht, zunächst sich ganz knapp einen Einblick in den Bereich der Grundlagenforschung zu „elektronischen Materialien“ zu verschaffen, in dem sich Physik, Chemie und Biologie immer mehr zu durchdringen beginnen. Im Anschluss daran soll exemplarisch eine Forschungsperspektive für die Biomedizin angesprochen werden, wie sie sich in einigen Fachbeiträgen schwerpunktmäßig widerspiegelt.
Vorausgesetzt und nicht eigens diskutiert werden dabei die Fortschritte zum einen in der Entwicklung und Anwendung „Künstlicher Intelligenz“, zum anderen im Bereich der Nanotechnologien, das heißt von Disziplinen, die es mit Objekten im Milliardstel Meter-Bereich (10-[9] m) zu tun haben. Eine besondere Rolle spielen hierbei mittlerweile Materialien aus Graphen – wie etwa Graphenröhrchen im Nanoformat -, das heißt ein aus Kohlenstoff hergestelltes Halbleitermaterial, das erst durch die neuere elektronische Materialforschung entwickelt werden konnte.
Materie tritt bekanntlich in unterschiedlichen Aggregatzuständen auf. Eis, Flüssigkeit und Dampf könnten dem ersten Anschein nach völlig unterschiedliche Stoffe sein; de facto setzen sie sich beim Wasser aus den gleichen H2O-Molekülen zusammen. Setzt man diese Moleküle unterschiedlichen Temperaturen und Druckniveaus aus, so ändern sich die Aggregatzustände dieses Stoffes in dem Sinne, dass man sie in einzelnen Phasen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Symmetrien (wie etwa kontinuierliche Rotationssymmetrie bei flüssigem Zustand und Dampf, Kristallsymmetrie bei Eis)3 ordnen und klassifizieren kann.
Ein epochaler Schritt
Seit Entdeckung der elektrischen Ladung als einer grundlegenden Materieeigenschaft können Materialien in zwei Klassen unterteilt werden: in Leiter, die elektrische Ladungen übertragen können, und in Isolatoren, die dies nicht tun.4 Mit der Erforschung der Struktur von Atomen und der subatomaren Quantenmechanik seit Beginn des 20. Jahrhunderts kommen zunehmend auch elektronische Materiephasen beziehungsweise elektronische Materialien in den Blick. Das ebnete den Weg in die Computertechnologie.
Seit einigen Jahrzehnten ist es in diesem Rahmen auch gelungen, quantisierte elektronische Materiephasen zu erzeugen und zu klassifizieren, mit denen sich ganz neuartige Eigenschaften wie die Supraleitfähigkeit verbinden. Wie die Chemikerin Claudia Felser vom Dresdener Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe und Direktorin der Abteilung „Topologische Quantenchemie“ in zahlreichen Abhandlungen dargestellt hat,5 geht es darum, Elektronen in eine „Lage“ zu bringen, dass sie nicht mehr allein der klassischen Mechanik und dem Organisationsprinzip der Energie unterliegen, sondern grundlegender der Quantenmechanik, deren Organisationsprinzipien jedoch noch einer weitreichenden Erforschung bedürfen.6 Elektronen in andere „Lagerungsverhältnisse“ zu versetzen, kann mit verschiedenen Verfahren erreicht werden. Man kann Atome stark abkühlen und einem intensiven Magnetfeld aussetzen oder man kann durch Legierung magnetische Materialien herstellen und diese dann unter Druck zu quasi zweidimensionalen Flächen verarbeiten.
Seit etwa zwei Jahrzehnten ist es möglich geworden, das aus der Wechselwirkung von Elektronen und Atomen gebildete interne Magnetfeld eines Materials zu nutzen und in zwei- oder auch dreidimensionaler Weise Elektronen quantenmechanischen Gesetzmäßigkeiten zu unterwerfen (vgl. die Entwicklung von Graphen).7 Dies gilt als ein epochaler Schritt in der Physik fester Stoffe bzw. kondensierter Materie. Seit dies im Prinzip gelungen ist, gibt es in der Erforschung neuartiger elektronischer Materialphasen und Materialien quasi kein Halten mehr. All dies aber basiert auf einer neuartigen Grundlagenforschung.
Topologische Grundlagenforschung - die Neuentdeckung der „Geometrie der Lage“
Elektronen in eine andere „Lage“ zu versetzen und dadurch neuartige Materialeigenschaften zu erzeugen, ist gewissermaßen das Grundprinzip, wie es zunächst in der Festkörperphysik entdeckt worden ist, mittlerweile aber auch bei elastischen („soft“) und organischen Stoffen zum Einsatz kommt.8 Aus diesen fundamentalen Zusammenhängen leitet sich der heute durchgängig verwendete Begriff der „Topologie“ (abgeleitet von griech. „topos“ – „Ort“) her, wie er von der neueren Mathematik entwickelt worden ist.9
Verständlicher werden die Begriffe und die Zusammenhänge, in denen sie stehen, wenn man die ursprünglichen Begriffe zur Hilfe nimmt, die als solche bereits in der vorneuzeitlichen Naturphilosophie bekannt waren, nämlich die sog. „Geometrie der Lage“ (lat. „geometria situs“) in Differenz und Beziehung zu dem, was man als „Geometrie des Ortes“ bezeichnen könnte. Bereits Thomas von Aquin war die Unterscheidung bekannt, und so gibt es für ihn nicht nur die Ortsgeometrie, welche die „Extension“ von Objekten wie z. B. einer Brücke nach Länge, Breite und Tiefe (profundum) – die sog. „dimensiones determinatae“ - beschreibt, sondern auch eine Geometrie, welche auf die räumlichen Lagebeziehungen, also auf die relative Lage von Objekten zueinander abstellt, d. h. auf die internen Verbindungen zwischen den Teilen eines komplexen Ganzen.10
So kommt es, um ein Beispiel aus heutiger Zeit zu nehmen, bei einem elektrischen Gerät wie einer Stehlampe unter diesem Aspekt nicht darauf an, welche Form sie hat, wo sie hingehört, wie lang die Kabel sind oder wo sie genau verlaufen, solange nur die einzelnen Teile (Plus-/Minuspol, Erdung, Schalter, Glühbirne usw.) richtig miteinander verbunden sind – es wären für Thomas die „dimensiones interminatae“. Übertragen könnte man sagen, dass die Eigenschaften von Stofflichkeiten nicht allein durch Extensionsstrukturen zu beschreiben sind, so grundlegend diese stets sind, zu erfassen ist auch das Eingebettetsein in einem „intensiv“ dimensionierten Feld von Wechselwirkungen, das gegenüber bestimmten Aus- und Umformungen invariant bleibt.
Diese „Geometrie der Lage“ – lassen wir es einmal bei diesem Begriff – gilt offensichtlich bereits auf der Ebene quantenmechanischer Gesetzmäßigkeiten. Um dieses inhärente Eingebettetsein von Stofflichkeiten anorganischer und organischer Art in ein Wechselwirkungsfeld ohne Rekurs auf komplizierte mathematische Ausformulierungen zu veranschaulichen, greift man gerne auf sinnfällige Bilder zurück. Die bereits erwähnte Forschungsgruppe, welche vor kurzem den großen Überblicksartikel mit dem Titel „Topology in soft and biological matter“ veröffentlicht hat, veranschaulicht dieses einbettende Feld der Lagebeziehungen, das mit dem Begriff „Topologie“ bezeichnet wird, am Beispiel eines gestrickten Schals. Er kann gedehnt, zusammengedrückt und verdreht werden, so dass er eine Vielzahl unterschiedlicher Formen annehmen kann. Solange wir seine Integrität nicht durch Zerschneiden des Garns beeinträchtigen, ändern sich Anzahl und Anordnung der Maschen nicht. Außerdem verleihen verschiedene Arten von Maschen dem Textil unterschiedliche Eigenschaften, z. B. mehr oder weniger große Elastizität bzw. Robustheit. Da dieser „Schal“ verschiedensten Objekten zugrundliegen oder zugrunde gelegt werden kann, spricht man bzgl. der „topologischen“ Betrachtungsweise auch von einer „ globalen “, also einzelne Ortsstrukturen übergreifenden Charakterisierung.11
Die „globale“ Bedeutung der „Geometrie der Lage“ lässt sich kaum besser demonstrieren als durch die Tatsache, dass es ein „Lagebeziehungs-Feld“ gibt, das kosmischer Natur ist und die gesamte Wirklichkeit vom Bereich der Elementarteilchen bis in den Gestaltbereich hinein prägt, nämlich die „Händigkeit“ oder „Chiralität“ (abgeleitet vom griech. „cheir“ – „Hand“). Kurz gesagt geht es um die Tatsache, dass es nicht nur Objekte gibt, die spiegelsymmetrisch gleich sind wie z. B. eine Kugel, sondern auch solche, deren Spiegelbild nicht deckungsgleich ist, wie eben die Hände; dies ist offenkundig, denn man kann nicht jemandem mit der linken Hand seine rechte Hand konform schütteln, und die rechte Hand passt einfach nicht auf einen linken Handschuh.12
Diese chirale Gesetzmäßigkeit gilt, wie sich gezeigt hat, nicht nur für den Bereich von Molekülstrukturen und deren ganz verschiedenen chemischen Eigenschaften, sondern auch subatomar im Bereich der Elektronik fester und biologischer Stoffe. Es gibt, wie Claudia Felser sagt, auch eine „elektronische Chiralität“. Deren Verständnis und Beherrschung in Form höchst komplexer elektronischer „Signaturen“ ist zu einem wesentlichen Faktor von Bioengineering im Bereich der Medizin geworden; die chiralen Gesetzmäßigkeiten sind also stets mitzuberücksichtigen.13
Fokus „biologische Schnittstellen“
All diese Entwicklungen ermöglichen ein Bioengineering in neuen Dimensionen; denn die epochal neue Technologie, den elektronischen Grundzustand von „Materien“ bzw. „Stoffen“ fester, elastischer oder organischer Art gezielt zu verändern, durchdringt Physik, Chemie und Biologie, macht ihre Grenzen durchlässiger und erfasst zunehmend auch alle lebenswissenschaftlichen Bereiche bis hin zu den Umweltwissenschaften. Insgesamt betrachtet ermöglicht solche Forschung ein tiefgreifendes Verständnis davon, wie Objekte auf fundamentaler Ebene zusammenhängen und interagieren. Dabei ist auch die Rede von höchst komplexen „elektronischen Signaturen“, deren Erfassung und Beherrschung zu einem wesentlichen Faktor von Bioengineering im Bereich der Medizin geworden ist.
Bei einem kurzen – exemplarischen – Blick auf entsprechende Überblicksartikel aus neuester Zeit, fällt auf, dass in diesem Rahmen der Bereich der Neurotechnologie stärker in den Fokus gerückt ist.14 Dies ist insofern nicht überraschend, als mit dem wachsenden Verständnis für „elektronische Materialien“ auch das Verständnis der „elektronischen Signaturen“ von Nervenzellen voranschreitet. Daraus entstehen die Idee und die Forschungsperspektive, diese spezifische Elektronik durch Materialien mit spezifischen Oberflächenzuständen („topological surface states“) gezielter abzufragen und anzusprechen.
Ansatzpunkt hierbei sind die sogenannten „bio-interfaces“, das heißt „Schnittstellen“ als entscheidende Faktoren für die Interaktion zwischen Zellmembranen, Zellen, Geweben oder Organen, welche die unterschiedlichsten biologischen Prozesse in Organismen steuern können.15 Je genauer man diese „Schnittstellen“ kennt, desto gezielter lassen sich neuartige Nano-Materialien entwickeln, die geeignet sind, biomedizinische Anwendungen über bisherige Grenzen hinaus weiterzuentwickeln. Im Mittelpunkt stehen dabei Bereiche wie etwa Regulierung des Zellverhaltens, Gewebereparatur, Immunabwehr beziehungsweise Immunüberwachung, gezielterer Wirkstofftransport, Früherkennung von Erkrankungen mittels Biosensoren und Nanosonden bis hin zum Einsatz von sogenannten „Brain-Machine-Interfaces“ (BMIs), also von Instrumentarien, welche mit dem Nervensystem verbunden werden, um etwa Bewegungs- oder Kommunikationsfähigkeiten wiederherzustellen.
Noch ist die Forschung im Laborstadium
Mittlerweile hat sich für all diese Bereiche ein neuer Forschungszweig etabliert, die sogenannte „biohybride regenerative Bioelektronik“. Wie ein im November 2024 erschienener Fachbeitrag zeigt,16 integriert diese Technologie verschiedene Ansatzpunkte und Methoden, Implantate zu entwickeln, die sowohl nicht-organische wie organische („living“) Komponenten enthalten. Dadurch eröffnen sich neuartige Möglichkeiten, Implantate und Wirtsgewebe miteinander zu integrieren, um etwa bei Handlähmungen mittels „biohybrider Nervenimplantate“ die Impulse von Nervengeweben auf Prothesen zu übertragen wie auch umgekehrt diese Gewebe gezielt zu stimulieren und die Funktionsstörungen nach und nach zu überwinden.
Zwar existieren dem Bericht nach bereits seit Jahrzehnten biohybride implantierbare Technologien etwa von Hippocampusneuronen, die in Silizium untergebracht sind, aber erst die neuere elektronische Materialforschung schafft die Grundlage, die wechselseitige Integration zwischen transplantierten Zellkomponenten und Wirtsgewebe mit dauerhaftem Erfolg zu erreichen. Vor allem erfolgt die Muskelaktivierung auf viel feinere Weise, als Oberflächenelektroden sie erfassen können, und implantierte biohybride Elektroden, welche einzelne Muskelfasern abfragen können, haben das Potenzial, die aktive Kontrolle der Patienten über Prothesen erheblich zu verbessern.
Auch wenn es sich bei diesen Entwicklungen bislang um Forschungsperspektiven im Laborstadium handeln mag – die Forschung also, wie es in dem Fachbericht heißt, noch in den Kinderschuhen steckt und noch weit von der klinischen Anwendung am Menschen entfernt ist –, wird den „Biohybrid Regenerative Bioelectronics“ ein außerordentlich hohes biomedizinisches Potenzial zugeschrieben, das nicht nur bei der Geweberegeneration eingesetzt werden kann, sondern auch bei der „mikrofluidischen“ Arzneimittelverabreichung, etwa um entzündungshemmende Effekte bei Rückenmarksverletzungen zu erzielen.
Betrachtet man die neueren naturwissenschaftlichen Entwicklungen in Grundlagen- und Anwendungsforschung insgesamt, dürfte die Einschätzung von Claudia Felser zutreffend sein, dass man bislang lediglich die Spitze eines Eisberges sieht und unser Verständnis der Tiefenstrukturen materieller Wirklichkeiten noch ganz anfänglicher Art ist. Die Fachzeitschrift „Nature Reviews Bioengineering“ weist dabei selber auch auf die Gefahren hin, die aufgrund der neuen Dimensionalität dieser Forschungen entstehen können.17 Grund genug, diese biomedizinischen Entwicklungen kritisch zu verfolgen und immer auch auf ihre ethische Relevanz hin zu befragen.
Literaturverzeichnis
Babaev, Egor / Kharzeev, Dmitri / Larsson, Mats / Molochkov, Alexander / Zhaunerchyk, Vitali (eds.) Chiral Matter - Proceedings of the Nobel Symposium 167, Högberga Gård, Lidingö, 28 June – 2 July 2021, World Scientific Pub Co Pte. Ltd, New Jersey USA 2023 (https://doi.org/10.1142/13107).
Bakhshandeh, Sadra / Fyfe, Ian (eds.), Clinical translation of neurotechnologies, in: nature reviews bioengineering (09 August 2024), (online: https://www.nature.com/collections/gahbighdbh).
Carnicer-Lombarte / Alejandro / Malliaras, George G. / Barone, Damiano G., The Future of Biohybrid Regenerative Bioelectronics, in: Advanced Materials 2024 Nov 20: e2408308 (DOI: 10.1002/adma.202408308, online: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39564751/).
Cho, Younguk / Park, Sanghoon / Lee, Ju-young / Yu, Ki Jun, Emerging Materials and Technologies with Applications in Flexible Neural Implants: A Comprehensive Review of Current Issues with Neural Devices, in: Advanced Materials Volume 33 November 2021), Issue 47: Special Issue: Materials Science at Yonsei University, Article 2005786 (https://doi.org/10.1002/adma.202005786, online: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005786).
Editorial: Reality check for brain–machine interfaces, in: Nature Reviews Bioengineering 2, 627 (2024), (https://doi.org/10.1038/s44222-024-00230-0; online: https://www.nature.com/articles/s44222-024-00230-0).
Felser, Claudia / Chadov, Stanislav / Müchler, Lukas / Yan, Binghai / Kübler, Jürgen / Zhang, Shou-Cheng, Topologische Isolatoren aus chemischer Sicht. Forschungsbericht (importiert) 2012 - Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe, (online: https://www.cpfs.mpg.de/3268735/research_report_6704006?c=1902329&force_lang=de).
Felser, Claudia / Gooth, Johannes, Topology and Chirality, in: Babaev, Egor / Kharzeev, Dmitri / Larsson, Mats / Molochkov, Alexander / Zhaunerchyk, Vitali (eds.), Chiral Matter - Proceedings of the Nobel Symposium 167, Högberga Gård, Lidingö, 28 June – 2 July 2021, World Scientific Pub Co Pte Ltd, New Jersey USA 2023, 115-141 (online: https://www.semanticscholar.org/reader/c99415fb864e3fbeb762d3e83721785d795608d0).
Gauss, Carl Friedrich, Geometria Situs, in: ders., Werke. Band IV, Cambridge University Press, Cambridge 2011, 269 – 286 (DOI: https://doi.org/10.1017/CBO9781139058292.006;
Manuskript, online: https://gdz.sub.uni-goettingen.de/id/DE-611-HS-3382186?origin=%2Fcollection%2Fnachlaesse%3Ffilter%255B0%255D%255Bfacet_creator_personal%255D%3DGau%25C3%259F%252C%2520Carl%2520Friedrich%26filter%255B1%255D%255Bfacet_place_publish%255D%3DOhne%2520Ort&collection=nachlaesse&tify=%7B%22pages%22%3A%5B13%5D%2C%22view%22%3A%22info%22%7D).
Guo, Liting / Guo, Yanqiu Guo / Wang, Rui / Feng, Jie / Shao, Nannan / Zhou Xiaolin / Zhou Yunlong, Interface chirality: from biological effects to biomedical applications, in: Molecules 28/15 (2023), Article 5629, (DOI: https://doi.org/10.3390/molecules28155629; online: https://pureadmin.qub.ac.uk/ws/portalfiles/portal/503165588/molecules_28_05629.pdf).
Hasan, M. Zahid / Kane, Charles L., Colloquium Topological Insulators, in: Reviews of Modern Physics 82 (October-December 2010) Article 3045 (DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.3045, online: https://journals.aps.org/rmp/pdf/10.1103/RevModPhys.82.3045?casa_token=g9gTrGAFCn0AAAAA%3AVzWwO6_lu22ZgcB2oYspsCvwyZbgqEcJo7-WRq8BPSPJcaUooYGeZMeW63M73LZ0-5RHlmZc9MGu).
Höver, Gerhard, Neue Einsichten und Erkenntnisse zum Anfang des Lebens Das Phänomen der Chiralität, GRIN Verlag, München 2022 (online: https://www.grin.com/document/1285424).
Kane, Charles L. / Mele, Eugene J., Quantum Spin Hall Effect in Graphene, in: Physical Review Letters 95 (2005) 22, Article 226801 (DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.226801, online: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.95.226801).
Mainzer, Klaus, Symmetrien der Natur. Ein Handbuch zur Natur- und Wissenschaftsphilosophie, Walter de Gruyter: Berlin-New York 1988.
McGlynn, Eve / Nabaei, Vahid / Ren, Elisa / Galeote-Checa, Gabriel / Das, Rupam / Curia, Giulia / Heidari, Hadi, The Future of Neuroscience: Flexible and Wireless Implantable Neural Electronics, in: Advanced Science Volume 8, Issue10 (May 2021) Article 2002693 (https://doi.org/10.1002/advs.202002693, online: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202002693).
Neuhaus, Margarete, Der Begriff der dimensiones interminatae im lateinischen Hoch- und Spätmittelalter, Dissertation Universität zu Köln: Köln 2020 (online: https://kups.ub.uni-koeln.de/11623/1/Dissertation_Neuhaus.pdf).
Ricca, Renzo, L. / Nipoti, Berardo, Gauss’ Linking Number Revisited, in: Journal of Knot Theory and Its Ramifications Vol. 20, No. 10 (2011) 1325–1343 (DOI: 10.1142/S0218216511009261, online: https://www.maths.ed.ac.uk/~v1ranick/papers/ricca.pdf).
Rochford, Amy E. / Carnicer-Lombarte, Alejandro / Curto, Vincenzo F. / Malliaras, George G. / Barone, Damiano G., When Bio Meets Technology: Biohybrid Neural Interfaces, in: Advanced Materials Volume32, Issue15: Special Issue:Flexible Hybrid Electronics (April 2020) Article 1903182 (https://doi.org/10.1002/adma.201903182, online: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201903182).
Rochford, Amy E. / Carnicer-Lombarte, Alejandro / Kawan, Malak / Jin, Amy / Hilten, Sam / Curto, Vicenzo F. / Rutz, Alexandra L. / Moreau, Thomas / Kotter, Mark R. N. / Malliaras, George G. / Barone, Damiano G., Functional neurological restoration of amputated peripheral nerve using biohybrid regenerative bioelectronics, in: ScieneAdvances Volume 9, eadd8162 (2023) 22 March 2023 (DOI: 10.1126/sciadv.add8162, online: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add8162).
Surface Science Letters. A Journal Devoted to the Physics and Chemistry of Interfaces (online: https://www.sciencedirect.com/journal/surface-science).
Tubiana, Luca / Alexander, Gareth P. / Barbensi, Agnese / Buck, Dorothy / Cartwright, Julyan H.E. / Chwastyk, Mateusz / Cieplak, Marek / Coluzza, Ivan / Čopar, Simon / Craik, David J. / Di Stefano, Marco / Everaers, Ralf / Faísca, Patrícia F.N. / Ferrari, Franco / Giacometti, Achille / Goundaroulis, Dimos / Haglund, Ellinor / Hou, Ya-Ming / Ilieva, Nevena / Jackson, Sophie E. / Japaridze, Aleksandre / Kaplan, Noam / Klotz, Alexander R. / Li, Hongbin / Likos, Christos N. / Locatelli, Emanuele / López-León, Teresa / Machon, Thomas / Micheletti, Cristian / Michieletto, Davide / Niemi, Antti / Niemyska, Wanda / Niewieczerzal, Szymon / Nitti, Francesco / Orlandini, Enzo / Pasquali, Samuela / Perlinska, Agata P. / Podgornik, Rudolf / Potestio, Raffaello / Pugno, Nicola M. / Ravnik, Miha / Ricca, Renzo / Rohwer, Christian M. / Rosa, Angelo / Smrek, Jan / Souslov, Anton / Stasiak, Andrzej / Steer, Danièle / Sułkowska, Joanna / Sułkowski, Piotr / Sumners, De Witt L. / Svaneborg, Carsten / Szymczak, Piotr / Tarenzi, Thomas / Travasso, Rui / Virnau, Peter / Vlassopoulos, Dimitris / Ziherl, Primož / Žumer, Slobodan, Topology in soft and biological matter, in: Physics Reports 1075 (2024) 1-137 (online: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370157324001339?via%3Dihub).
Wang, Mian / Mi, Gujie / Shi, Di / Bassous, Nicole / Hickey, Daniel / Webster, Thomas J., Nanotechnology and Nanomaterials for Improving Neural Interfaces, in: Advanced Functional Materials Advanced Functional Materials: Volume 28, Issue 12: Special Issue: Advanced Functional Materials Solutions to Engineering the Neural Interface (March 2018) Article 1700905 (https://doi.org/10.1002/adfm.201700905, online: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201700905).
Wang, Xia / Yi, Changjiang / Felser, Claudia, Chiral Quantum Materials: When Chemistry Meets Physics, in: Advanced Materials Volume 36, Issue 13 (2024) Article 2308746 (DOI: 10.1002/adma.202308746, online: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202308746).
Weyl, Hermann, Symmetrie. Ins Deutsche übersetzt von Lulu Bechtolsheim, Birkhäuser Verlag Basel und Stuttgart, Basel 1955 (Originalausgabe: Hermann Weyl, Symmetry, Princeton University Press, Princeton, New Jersey, USA 1952).
Wilczek, Frank, Chirality: A Scientific Leitmotif, in: Babaev, Egor / Kharzeev, Dmitri / Larsson, Mats / Molochkov, Alexander / Zhaunerchyk, Vitali (eds.), Chiral Matter - Proceedings of the Nobel Symposium 167, Högberga Gård, Lidingö, 28 June – 2 July 2021, World Scientific Pub Co Pte Ltd, New Jersey USA 2023, 1-14 (online: https://www.worldscientific.com/doi/epdf/10.1142/9789811265068_0001)
Yan, Binghai, Structural Chirality and Electronic Chirality in Quantum Materials, in: Annual Review of Materials Research Volume 54 (2024) 97-115 (https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-080222-033548, online: https://www.annualreviews.org/content/journals/10.1146/annurev-matsci-080222-033548).
[...]
1 Es handelt sich um eine Sammlung von 20 Artikeln aus den bisherigen Issues der Zeitschrift; vgl. „nature reviews bioengineering“ (09 August 2024): Clinical translation of neurotechnologies, ed. by Sadra Bakhshandeh / Ian Fyfe (online: https://www.nature.com/collections/gahbighdbh). Die Fachartikel behandeln Themen aus den Bereichen von Technology, Translation sowie Ethics and Implementation: Technology: The convergence of neuromodulation and brain–computer interfaces, Neurotechnologies to restore hand functions, Brain–computer interfaces for neuropsychiatric disorders, Mechanoneural interfaces for bionic integration, Sensory feedback in upper limb prosthetics: advances and challenges, Artificial intelligence in epilepsy — applications and pathways to the clinic, Focused ultrasound brain therapy is a new tool in the box, Biohybrid neural implant. Translation: Translation of neurotechnologies, Striking the simplicity–complexity balance, Neurostimulation for treatment of post-stroke impairments, Closing the loop for patients with Parkinson disease: where are we?, Spinal cord stimulation for the treatment of chronic pain, Neuromodulation for severe brain injury: time for a paradigm shift?, Non-invasive deep brain stimulation: interventional targeting of deep brain areas in neurological disorders, Non-invasive stimulation for treating cognitive impairment in Alzheimer disease, The state of clinical trials of implantable brain–computer interfaces. Ethics and implementation: Neuromorphic brain interfacing and the challenge of human subjectivation, How can we stop digital technologies from worsening existing health inequalities?, Reality check for brain–machine interfaces.
2 Vgl. zur Profilbeschreibung die Journal Information über “Aims & scope”: “We are interested in the latest advances in bioengineering and in timely syntheses of research spanning all its aspects, with a particular focus on application, translation and technology, that is, leveraging biological knowledge to engineer solutions for real-world applications. The wider societal relevance of bioengineering will also be featured within the journal. We seek to amplify diverse voices, provide a platform for discussion, debate and solution, and publish pieces that discuss commercial, ethical, legal and societal aspects of bioengineering research, and the translation of bioengineering advances in low-resource settings. Our broad scope and accessible formats ensure that work published in our journal reaches the widest possible audience” (online: https://www.nature.com/natrevbioeng/journal-information).
3 Zum überaus komplexen Bereich der Symmetrien vgl. etwa Hermann Weyl, Symmetrie. Ins Deutsche übersetzt von Lulu Bechtolsheim, Birkhäuser Verlag Basel und Stuttgart, Basel 1955 (Originalausgabe: Hermann Weyl, Symmetry, Princeton University Press, Princeton, New Jersey, USA 1952) sowie Klaus Mainzer, Symmetrien der Natur. Ein Handbuch zur Natur- und Wissenschaftsphilosophie, Walter de Gruyter: Berlin-New York 1988.
4 Vgl. Claudia Felser / Stanislav Chadov / Lukas Müchler / Binghai Yan / Jürgen Kübler / Shou-Cheng Zhang, Topologische Isolatoren aus chemischer Sicht. Forschungsbericht (importiert) 2012 - Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (online: https://www.cpfs.mpg.de/3268735/research_report_6704006?c=1902329&force_lang=de); M. Zahid Hasan / Charles L. Kane, Colloquium Topological Insulators, in: Reviews of Modern Physics 82 (October-December 2010) Article 3045 (DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.3045, online: https://journals.aps.org/rmp/pdf/10.1103/RevModPhys.82.3045?casa_token=g9gTrGAFCn0AAAAA%3AVzWwO6_lu22ZgcB2oYspsCvwyZbgqEcJo7-WRq8BPSPJcaUooYGeZMeW63M73LZ0-5RHlmZc9MGu).
5 Nähere Angaben finden sich auf der hompage von Claudia Felser: https://www.mpg.de/6348365/chemische-physik-fester-stoffe-felser.
6 Vgl. etwa die Abhandlungen: Xia Wang / Changjiang Yi / Claudia Felser, Chiral Quantum Materials: When Chemistry Meets Physics, in: Advanced Materials Volume 36, Issue 13 (2024) Article 2308746 (DOI: 10.1002/adma.202308746, online: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202308746); Claudia Felser / Johannes Gooth, Topology and Chirality, in: Egor Babaev / Dmitri Kharzeev / Mats Larsson / Alexander Molochkov / Vitali Zhaunerchyk (eds.), Chiral Matter - Proceedings of the Nobel Symposium 167, Högberga Gård, Lidingö, 28 June – 2 July 2021, World Scientific Pub Co Pte Ltd, New Jersey, USA 2023, 115-141 (online: https:// https://www.semanticscholar.org/reader/c99415fb864e3fbeb762d3e83721785d795608d0).
7 Vgl. Charles L. Kane / Eugene J. Mele, Quantum Spin Hall Effect in Graphene, in: Physical Review Letters 95 (November 2005) Article 226801 (DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.226801, online: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.95.226801).
8 Zum Letzteren vgl. den umfassenden Forschungsbericht: Luca Tubiana / Gareth P. Alexander / Agnese Barbensi / Dorothy Buck / Julyan H.E. Cartwright / Mateusz Chwastyk / Marek Cieplak / Ivan Coluzza / Simon Čopar / David J. Craik / Marco Di Stefano / Ralf Everaers / Patrícia F.N. Faísca / Franco Ferrari / Achille Giacometti / Dimos Goundaroulis / Ellinor Haglund / Ya-Ming Hou / Nevena Ilieva / Sophie E. Jackson / Aleksandre Japaridze / Noam Kaplan / Alexander R. Klotz /Hongbin Li / Christos N. Likos / Emanuele Locatelli / Teresa López-León / Thomas Machon / Cristian Micheletti / Davide Michieletto /Antti Niemi / Wanda Niemyska / Szymon Niewieczerzal / Francesco Nitti / Enzo Orlandini / Samuela Pasquali / Agata P. Perlinska / Rudolf Podgornik / Raffaello Potestio / Nicola M. Pugno / Miha Ravnik / Renzo Ricca / Christian M. Rohwer / Angelo Rosa / Jan Smrek / Anton Souslov / Andrzej Stasiak / Danièle Steer / Joanna Sułkowska / Piotr Sułkowski / De Witt L. Sumners / Carsten Svaneborg / Piotr Szymczak / Thomas Tarenzi / Rui Travasso / Peter Virnau / Dimitris Vlassopoulos / Primož Ziherl / Slobodan Žumer, Topology in soft and biological matter, in: Physics Reports 1075 (2024) 1-137 (online: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370157324001339?via%3Dihub).
9 Carl-Friedrich Gauss, Geometria Situs, in: ders., Werke. Band IV, Cambridge University Press, Cambridge 2011, 269 – 286 (DOI: https://doi.org/10.1017/CBO9781139058292.006; Manuskript, online: https://gdz.sub.uni-goettingen.de/id/DE-611-HS-3382186?origin=%2Fcollection%2Fnachlaesse%3Ffilter%255B0%255D%255Bfacet_creator_personal%255D%3DGau%25C3%259F%252C%2520Carl%2520Friedrich%26filter%255B1%255D%255Bfacet_place_publish%255D%3DOhne%2520Ort&collection=nachlaesse&tify=%7B%22pages%22%3A%5B13%5D%2C%22view%22%3A%22info%22%7D); vgl. dazu Renzo L. Ricca / Bernardo Nipoti, Gauss’ Linking Number Revisited, in: Journal of Knot Theory and Its Ramifications Vol. 20, No. 10 (2011) 1325–1343 (DOI: 10.1142/S0218216511009261, online: https://www.maths.ed.ac.uk/~v1ranick/papers/ricca.pdf).
10 Vgl. dazu Margarete Neuhaus, Der Begriff der dimensiones interminatae im lateinischen Hoch- und Spätmittelalter, Dissertation Universität zu Köln: Köln 2020 (online: https://kups.ub.uni-koeln.de/11623/1/Dissertation_Neuhaus.pdf).
11 Vgl. Luca Tubiana et al., Topology in soft and biological matter, a. a. O. 5 f.
12 Vgl. zur Problematik den Symposiumsbericht: Egor Babaev / Dmitri Kharzeev / Mats Larsson / Alexander Molochkov / Vitali Zhaunerchyk (eds.), Chiral Matter - Proceedings of the Nobel Symposium 167, Högberga Gård, Lidingö, 28 June – 2 July 2021, World Scientific Pub Co Pte. Ltd, New Jersey, USA 2023 (https://doi.org/10.1142/13107 ). Das Symposium versucht erstmalig, das Gesamtphänomen der Chiralität in den Blick zu nehmen. „Chiralität“ ist, wie der bekannte Physiker und Nobelpreisträger Frank Wilzek in seinem einleitenden Aufsatz sagt, ein „wissenschaftliches Leitmotiv“, vgl. Frank Wilczek, Chirality: A Scientific Leitmotif, in: Egor Babaev / Dmitri Kharzeev / Mats Larsson / Alexander Molochkov / Vitali Zhaunerchyk (eds.), Chiral Matter - Proceedings of the Nobel Symposium 167, Högberga Gård, Lidingö, 28 June – 2 July 2021, World Scientific Pub Co Pte Ltd, New Jersey, USA 2023, 1-14 (online: https://www.worldscientific.com/doi/epdf/10.1142/9789811265068_0001); zur Bedeutung der „Chiralität“ für das Verständnis von Leben und Lebensbeginn vgl. Gerhard Höver, Neue Einsichten und Erkenntnisse zum Anfang des Lebens Das Phänomen der Chiralität, GRIN Verlag, München 2022 (online: https://www.grin.com/document/1285424).
13 Vgl. den im Symposiumsband enthaltenen Beitrag: Claudia Felser / Johannes Gooth, Topology and Chirality, a. a. O. sowie beispielhaft: Liting Guo / Yanqiu Guo/ Rui Wang / Jie Feng / Nannan Shao / Xiaolin Zhou / Yunlong Zhou, Interface chirality: from biological effects to biomedical applications, in: Molecules 28/15 (2023), Article 5629. https://doi.org/10.3390/molecules28155629 (online: https://pureadmin.qub.ac.uk/ws/portalfiles/portal/503165588/molecules_28_05629.pdf); Binghai Yan, Structural Chirality and Electronic Chirality in Quantum Materials, in: Annual Review of Materials Research Volume 54 (2024) 97-115 (https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-080222-033548, online: https://www.annualreviews.org/content/journals/10.1146/annurev-matsci-080222-033548).
14 Vgl. die bereits erwähnte Artikelsammlung: Clinical translation of neurotechnologies, ed. by Sadra Bakhshandeh / Ian Fyfe, a. a. O; vgl. ferner Younguk Cho / Sanghoon Park / Ju-young Lee / Ki Jun Yu, Emerging Materials and Technologies with Applications in Flexible Neural Implants: A Comprehensive Review of Current Issues with Neural Devices, in: Advanced Materials Volume 33 November 2021), Issue 47: Special Issue: Materials Science at Yonsei University, Article 2005786 (https://doi.org/10.1002/adma.202005786, online: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005786); Eve McGlynn / Vahid Nabaei / Elisa Ren / Gabriel Galeote-Checa / Rupam Das / Giulia Curia / Hadi Heidari, The Future of Neuroscience: Flexible and Wireless Implantable Neural Electronics, in: Advanced Science Volume 8, Issue10 (May 2021) Article 2002693 (https://doi.org/10.1002/advs.202002693, online: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202002693); Mian Wang / Gujie Mi / Di Shi / Nicole Bassous / Daniel Hickey / Thomas J. Webster, Nanotechnology and Nanomaterials for Improving Neural Interfaces, in: Advanced Functional Materials Advanced Functional Materials: Volume 28, Issue 12: Special Issue: Advanced Functional Materials Solutions to Engineering the Neural Interface (March 2018) Article 1700905 (https://doi.org/10.1002/adfm.201700905, online: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201700905); Amy E. Rochford / Alejandro Carnicer-Lombarte / Vincenzo F. Curto / George G. Malliaras / Damiano G. Barone, When Bio Meets Technology: Biohybrid Neural Interfaces, in: Advanced Materials Volume32, Issue15: Special Issue: Flexible Hybrid Electronics (April 2020) Article 1903182 (https://doi.org/10.1002/adma.201903182, online: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201903182); Amy E. Rochford / Alejandro Carnicer-Lombarte / Malak Kawan / Amy Jin / Sam Hilten / Vicenzo F. Curto / Alexandra L. Rutz / Thomas Moreau / Mark R. N. Kotter / George G. Malliaras / Damiano G. Barone, Functional neurological restoration of amputated peripheral nerve using biohybrid regenerative bioelectronics, in: ScienceAdvances Volume 9, eadd8162 (2023) 22 March 2023 (DOI: 10.1126/sciadv.add8162, online: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add8162).
15 Vgl. die eigens dafür gegründete Fachzeitschrift „Surface Science Letters. A Journal Devoted to the Physics and Chemistry of Interfaces” (online: https://www.sciencedirect.com/journal/surface-science); vgl. ferner exemplarisch: Liting Guo / Yanqiu Guo/ Rui Wang / Jie Feng / Nannan Shao / Xiaolin Zhou / Yunlong Zhou, Interface chirality: from biological effects to biomedical applications, a. a. O. sowie die in Anm. 14 aufgeführten Titel.
16 Vgl. Alejandro Carnicer-Lombarte / George G. Malliaras / Damiano G. Barone, The Future of Biohybrid Regenerative Bioelectronics, in: Advanced Materials 2024 Nov 20:e2408308 (DOI: 10.1002/adma.202408308, online: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39564751/).
17 Vgl. Editorial: Reality check for brain–machine interfaces, in: Nature Reviews Bioengineering 2, 627 (2024), (https://doi.org/10.1038/s44222-024-00230-0; online: https://www.nature.com/articles/s44222-024-00230-0).
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- Gerhard Höver (Author), 2024, Unterwegs zu den Tiefenstrukturen der Materie. "Bioengineering" in neuen Dimensionen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1555542
