Biodegradation und Nanofunktionalisierung

Gruppe

Biodegradation von Implantat-Material und Medizinprodukt-Komponenten

 

Innovative Implantate zählen technologisch und regulatorisch zu den anspruchsvollsten Medizinprodukten. Bei der Auswahl des Implantat-Materials und der Werkstoffe für Medizinprodukt-Komponenten müssen deshalb zuerst die kritischen Mindestanforderungen überprüft werden. Dabei spielt die Biodegradation der verwendeten Materialien eine entscheidende Rolle.  

An Implantat-Oberflächen kommt es zum Kontakt zwischen Gewebe und Körperflüssigkeiten. Die damit einhergehenden Wechselwirkungen erfordern ein detailliertes In-situ-Monitoring der verschiedenen Phasen des Degradationsprozesses. Im ungünstigsten Fall führen Wechselwirkungen zum Ausfall der Implantat-Funktionen, zu Abbauprozessen oder unerwünschten Körperreaktionen. Deshalb befasst sich die Arbeitsgruppe »Biodegradation und Nanofunktionalisierung« mit Materialveränderungen und Alterungsprozessen unter dem Einfluss künstlicher physiologischer Medien. Die IKTS-Wissenschaftler entwickeln innovative Verfahren zur Untersuchung der Biodegradation verschiedener Werkstoffklassen und setzen sie ein.

Begleitet werden die Biodegradationsuntersuchungen von umfangreichen Charakterisierungen zu physikalisch-chemischen Werkstoffeigenschaften. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten tragen zur optimalen Gestaltung neuartiger bioresorbierbarer Implantate wie z. B. Stents, Fixierschrauben und Knochenersatzmaterial bei. Aber auch bioresorbierbare medikamentenfreisetzende Implantat-Beschichtungen werden optimiert. Die Arbeitsgruppe versucht dabei, den genauen örtlichen und zeitlichen Verlauf der Degradation in Bezug auf körpernahe Umgebungsbedingungen (Temperatur, Medium, mechani­sche Spannung) zu bestimmen. Das ermöglicht den Herstellern die Beeinflussung von räumlichem Ausgangsdesign und Herstellungsbedingungen des degradierbaren Werkstoffes oder Implantates.

© Fraunhofer IKTS

Lochfraßkorrosion von Zinn nach 120-tägigem Kontakt mit künstlichem Blutplasma.

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Anlagerung von Salzen aus der künstlichen Körperflüssigkeit auf der Stent-Oberfläche.

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Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Titanoxinitrid-Beschichtung auf einem Edelstahl (316L)-Stent. Die Probe zeigt eine unerwünschte Delamination der Beschichtung.

Funktionelle Nanostrukturen und nanoskalige Oberflächenbeschichtungen

 

Weitere Forschungsschwerpunkte liegen in der Entwicklung funktioneller Nanostrukturen sowie nasschemischer Dünnschichtverfahren beispielsweise basierend auf Nanodiamanten (sp3 hybridisierter nanoskaliger Kohlenstoff). Solche nanotechnologischen Beschichtungen weisen bedingt durch Addition mehrerer physikalischer und chemischer Eigenschaften große Synergieeffekte auf. Daraus erwächst für diese Wissensgebiete ein hohes Innovationspotenzial in vielfaltigen Anwendungsfeldern wie z. B. in der Pharmazie, Medizintechnik oder bei Funktionsbauteilen.

Die Arbeitsgruppe »Biodegradation und Nanofunktionalisierung« trägt dazu bei, das Innovationspotenzial von nanomaterialbasierten Entwicklungen wirtschaftlich profitabel umzusetzen. Die IKTS-Wissenschaftler fokussieren auf die Funktionalisierung nano- und makroskopischer Werkstoffe, auf den korrosiven und abrasiven Verschleißschutz von Biomaterialien sowie auf pharmazeutische Dosierungstechnologien (drug delivery).

© Fraunhofer IKTS

Schematische Darstellung der kovalenten Anbindung von bioaktiven Molekülen an die Oberfläche von Detonationsnanodiamanten.

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ND-Nanodiamanten: kovalente und elektrostatische Funktionalisierung von Nanomaterialien.

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Funktionalisierung von unbehandelten und carboxylierten Nanodiamanten mit osteogenen Peptiden.

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Rasterelektronenmikroskop-aufnahme einer Silikatglas-Oberfläche.

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Rasterelektronenmikroskop-aufnahme einer mit funktionellen Nanodiamanten beschichteten Silikatglas-Oberfläche.

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Rasterelektronenmikroskop-aufnahme von Nanodiamanten mit hoher Belegungsdichte auf dem Trägermaterial.

Keramikbasierte Mikrochips in der Biosensorik

 

Außerdem entwickeln die IKTS-Wissenschaftler Konzepte für keramikbasierte Biosensoren sowie die entsprechenden Materialien und Verfahren zur Biosensor-Herstellung und deren Charakterisierung. Hochleistungskeramik spielt aufgrund ihrer Stabilität und Zuverlässigkeit in der Elektronik eine immer wichtigere Rolle. Diese Vorzüge der Keramik werden für medizinische mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sowie für Kanalstrukturen zum Handling von Fluiden und Gasen, auch unter Extrembedingungen, genutzt. Integrierte funktionskeramische Mikroelemente weisen zudem eine höhere Empfindlichkeit und Multiselektivität auf. Gerade Biosensoren profitieren von den bekannten Keramikeigenschaften Langzeitstabilität, Bioverträglichkeit sowie Kombination elektrischer und isolierender Eigenschaften.

Bei der Entwicklung leistungsfähiger Biosensoren stellt die Immobilisierung von Biomolekülen ein Kernproblem dar. Um Stabilität, Funktionalität und Spezifität der Biokomponenten nicht zu beeinflussen, fokussieren die Wissenschaftler auf die Langzeitstabilität der Biosensor-Komponenten. Dies geschieht unter zyklischer Belastung inklusive der Möglichkeit, diese biochemisch zu funktionalisieren. Zum Aufbau der Chips werden verschiedene Substratmaterialien für LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) und Goldpasten ausgewählt. Diese Materialauswahl gewährleistet optimale Bedingungen für die biosensorische Anwendung. In keramischer Mehrlagentechnik. Dies wiederum ermöglicht zukünftig, die 3D-Strukturierung und Systemintegration bei gleichzeitiger hermetischer Abschirmung sowie eine wirtschaftliche Herstellung größerer Stückzahlen.

 

Sensible Oberflächenbeschaffenheit bei Goldkontakten in Biosensoren

 

Die Nutzung der Elektroden in Biosensoren stellt besondere Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit der Goldkontakte und damit auch an das Keramiksubstrat. Deshalb wird die Rauigkeit optimiert, d. h. je nach LTCC um 30 bis 50 Prozent gesenkt. Durch zyklische Belastungstests in saurem Medium wurden geeignete Kombinationen identifiziert, die sowohl eine gute Haftung und Langzeitstabilität der Goldkontakte als auch eine geringe Auflösung und Degradation aufweisen. Innerhalb dieser stationären Bereiche können unter bestimmten Bedingungen sogar geringe Signale detektiert werden. Diese entstehen, wenn ein Zielmolekül an eine funktionalisierte Oberfläche andockt.

Parallel dazu wird der Sensoraufbau mittels der Oberflächenplasmonenresonanz-Spektroskopie (SPR) optimiert. Diese zeigt, dass das Signal bei der Detektion von Proteinen durch aptamer-funktionalisierte Goldoberflächen konzentrationsabhängig ist. Mit diesem Wissen modifizierte LTCC-Biosensoren können in der In-vitro-Diagnostik oder Biotechnologie eingesetzt werden.

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Schema der elektrochemischen Biosensorik.

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Verschiedene LTCC-Sensorchips mit gedruckten Goldelektroden.

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Cyclovoltammogramm eines LTCC-Chips.

Leistungsangebot in der Biodegradation und Nanofunktionalisierung

 

Biodegradation von Implantat-Material und Medizinprodukt-Komponenten

  • Physikalisch-chemische In-vitro-Tests (auch Langzeittests) für Biodegradation, Biostabilität, Abbau- und Anlagerungsmechanismen
  • Entwicklung von Degradationsmodellen
  • Elektrochemische Korrosions- und Degradationstests
  • Integritätsprüfung von Passivierungsschichten auf Implantaten
  • Einschätzung der Wirkung verschiedener Sterilisationsverfahren auf die Eigenschaften und Funktionalität von Implantat-Material
  • Unterstützung bei der Auswahl geeigneter Sterilisationsverfahren

Nanofunktionalisierung und nanoskalige Oberflächenbeschichtung

  • Oberflächenfunktionalisierung von makro- und nanoskaligen Materialien
  • Integration von Nanomaterialien in Bioscaffolds und Beschichtungen zur Verbesserung der Bio- und Hämokompatibilität sowie mechanischer Eigenschaften
  • Entwicklung und Optimierung der Flüssigphasenabscheidung und elektrochemischen Beschichtungstechnologie für Medizinprodukte inklusive der Einstellung gewünschter Funktionalitäten
  • Analyse komplexer kolloidaler Medien mit spektroskopischen Ansätzen
  • Entwicklung von niedermolekularen Arzneimittel-Nanomaterial-Konjugaten (präklinische Studien)
  • Drug delivery: Charakterisierung von medikamentenfreisetzenden Systemen hinsichtlich der Anbindungseffizienz der Medikamente, Freisetzungskinetik und In-vitro-Zellreaktionen

Keramikbasierte Mikrochips in der Biosensorik

  • Entwicklung elektrochemischer keramikbasierter Sensoren (Assayentwicklung, biochemische Sensorfunktionalisierung, biokompatible Aufbau- und Verbindungstechnik)
  • Sensormessung
  • Biokompatibles Sensor-Packaging
  • Sensorprüfung und -evaluierung unter Mediumeinfluss

Charakterisierung von Implantat-Material, Medizinprodukt-Komponenten und Biosensoren

  • Untersuchung der topographischen und morphologischen Oberflächeneigenschaften mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Rasterkraftmikorskopie (AFM/AFAM)
  • IR- und Raman-Spektroskopie, spektroskopische Ellipsometrie
  • Oberflächenplasmonresonanz (SPR), Zetasizer Nano-ZSP              
  • Statische/dynamische Schichtdickenmessung
  • Fluiddynamische Messungen      
  • Potentiostatische Halteversuche
  • Messungen zu Reinraumbedingungen (ISO-2)

Ausgewählte Projekte und Forschungskooperationen

 

  • Eurostars-Projekt »Biostar 17«:
    Ermöglicht die wissenschaftliche Kooperation zwischen dem Fraunhofer IKTS und den Industriepartnern BioCopy (Deutschland), InnoPharmaScreen Inc. (Korea) und NeoVentures (Kanada) sowie der koreanischer Asan Klinik. Die Forschungskooperation zielt auf die Entwicklung eines Aptamer-basierten Biosensors für die ALK-gezielte Therapie von nicht-kleinzelligem Lungenkarzinom.
  • Fraunhofer-Projekt »DeZeMag«:
    Im Projekt wird eine innovative Polymer-Keramik-Degradierungsschicht mit zeitlich anpassbaren Bioresorptionseigenschaften für koronare Stents aus Magnesium entwickelt.
  • Era.Net.Rus.Plus – Projekt »TiOxTechBio«:
    Forschungskooperation zwischen dem Fraunhofer IKTS und  Balton Ltd. (Poland), VIP Technologies Ltd. (Russian Federation) sowie der Universität »POLITECHNICA« Bukarest mit dem Ziel Titanoxidnitrid-Beschichtungen für die Verbesserung der Biostabilität und Langzeitfunktionalität von kardiovaskulären Stents zu entwickeln. 
  • Promotionsprojekt »Surface engineering of Ti-based materials using detonation nanodiamonds«:
    Konzeptnachweis und Entwicklung eines Nanodiamant-basierten Beschichtungssystems für biomedizinische Anwendungen. Die Doktorarbeit ist Teil des internationalen Graduiertenkollegs »iEGSEMP Korea« (International Excellence Graduate School on Emerging Materials and Processes)

Forschung aktuell

Titanoxinitrid-Stent-Beschichtungen mit Langzeitstabilität