Biologische Materialanalytik

Gruppe

Für die Entwicklung hoch biokompatibler Implantate, chirurgischer Instrumente und Gebrauchsmaterialien ist das Wissen um die Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen, Zellen und künstlichen Materialien entscheidend. Die Arbeitsgruppe »Biologische Materialanalytik« verfolgt deshalb einen interdisziplinären Ansatz. An der Schnittstelle von Werkstoffwissenschaften, Immunbiologie, Zellbiologie und biotechnologischen Analysemethoden werden Materialien, Medizinprodukte und diagnostische Verfahren für den Einsatz am und im Menschen optimiert.

Im Mittelpunkt stehen dabei eigens entwickelte Methoden und Bioassays. Mit diesen werden (immun)biologische Eigenschaften von Implantat-Material und Medizinprodukten charakterisiert und validiert. So können (biokeramische) Materialien analysiert, gezielt modifiziert und für einen definierten Einsatz funktionalisiert werden.

 

Biologische und immunologische Prüfverfahren für Implantat-Material

 

Im Bereich der Implantatentwicklung arbeitet die Gruppe »Biologische Materialanalytik« an immunologisch wirksamen biokeramischen Werkstoffen. Sie entwickelt standardisierte Prüfverfahren für neuartige (biokeramische) Implantat-Materialien vor allem für dentale und endoprothetische Anwendungen.

Langfristig sollen modulare bzw. hierarchisch strukturierte Materialoberflächen entwickelt werden, die eine patienten- oder krankheitsspezifische Therapieanwendung ermöglichen. So können diagnostische Schnelltests und Verfahren zur Materialcharakterisierung validiert in die Alltagroutine eingeführt und etabliert werden.

 

Ein Beispiel: Biointerface-Studien an Biokeramiken

 

Keramische Biomaterialien werden in der Implantologie immer wichtiger. Faktoren wie Materialoberfläche, Proteinadsorption oder Zell- und Gewebetyp beeinflussen die Interaktion im »Biointerface«, d. h. der Grenzschicht zwischen biologischem System und keramischer Materialoberfläche.

Derzeit erfolgt die Beurteilung der Biokompatibilität eines Materials durch in-vitro-Tests, die auf ISO-Normen (ISO10993) basieren. Standardisierte Testmethoden zur Untersuchung der Interaktion des Materials mit Blut sind rar, weil die patientenspezifische Blutantwort sehr komplex und divers ist. Kommt das Biomaterial mit Blut in Kontakt, führt dies zu einer Aktivierung der Blutkoagulation und Entzündungsreaktion. Dabei ist die erste Phase, d. h. die primäre Adhäsion von Blutproteinen, essenziell für die Initiierung einer Immunantwort. Aus diesem Grund sollen für diese erste Phase standardisierte Labormethoden weiterentwickelt und neue Technologien im nanoskaligen Auflösungsbereich etabliert werden. Letztere erlauben detaillierte Analysen der Proteinadsorption an biokeramischen und anderen Materialoberflächen.

 

© Fraunhofer IKTS
Auswahl unterschiedlicher Keramikproben für Zellversuche.
© Fraunhofer IKTS
3D-Topographie des Strukturelements bei primäre Zellbesiedelung nach 24 Stunden.
© Fraunhofer IKTS
Analyse der Zellmorphologie und Zellausbreitung an Oberflächen mittels Fluoreszenzmarkierung.

Angebot in biologischer Materialanalytik für Implantat-Material und Medizinprodukte

 

Biologische Beurteilung von Materialien (Medizinprodukten) nach DIN EN ISO 10993

  • Hämo-und Zytokompatibilitätstests nach ISO-Norm 10993 zur Beurteilung der Biokompatibilität
  • Mitgestaltung von Normen (über Mitarbeit im DIN-Ausschuss, Ansprechpartnerin: Susanne Kurz)

Untersuchung zur Osseointegration von Materialien und deren Oberflächen

  • Charakterisierung osteopromotiver/-induktiver und osteokonduktiver Eigenschaften
  • Differenzierungs-Assays mit humanen Osteoblasten-Zelllinien und mesenchymalen Knochenmark-Stammzellen
  • Entwicklung/Etablierung standardisierter Testszenarien

(Osteo)immunologische Beurteilung von Materialien und deren Oberflächen

  • Entwicklung neuer immunologischer und zellbiologischer Assays für die direkte Anwendung auf Materialoberflächen
  • Biointerface-Studien: Analyse der Proteinadsorption an keramischen Oberflächen inkl. der Effekte auf Zielzellen an Materialoberflächen
  • Aufbau von Ko-Kultivierungssystemen; Mikrofluidik
  • Etablierung und Validierung markerfreier/zerstörungsfreier Analysemethoden (Zell-Material-Interaktion)
  • Entwicklung diagnostischer Schnelltests für Implantat-Materialien
  • In vivo-Untersuchungen (murines Mausmodell) zur Beurteilung der Integrität von Implantat-Materialen

Methodenentwicklung

  • Diagnostische Schnelltests für Implantat-Materialien
  • Machbarkeitsstudien
  • Entwicklung geeigneter Methoden zur immunbiologischen Materialprüfung
  • Beeinflussung und Steuerung der Adsorption spezifischer Proteine
  • Topische Funktionalisierung (»Drug Depots«) biokeramischer Oberflächen

Das Fraunhofer IKTS verfügt über langjährige Erfahrungen bei der Entwicklung biokeramischer Materialien und Komponenten (zertifiziert nach ISO 13485:2012). Durch die Verbindung mit Methoden der akustischen, optischen und elektrischen Materialcharakterisierung und -visualisierung, entsteht ein einzigartiger Ansatz, um die mechanische Stabilität, Lebensdauer und Biokompatibilität von Implantaten zu verbessern.

Bio-Nanotechnologie-Anwendungslabor BNAL

 

Das Bio-Nanotechnologie-Anwendungslabor BNAL am Standort Leipzig ist eine von Fraunhofer IZI und Fraunhofer IKTS gemeinsam betriebene Forschungsinfrastruktur. Beide Institute erschließen mit Nanotechnologien neue Anwendungsbereiche in der Biomedizin. Die moderne Geräteausstattung ermöglicht die interdisziplinäre Bearbeitung biologisch-medizinischer Fragestellungen. Dadurch kann das BNAL Forschungs- und Entwicklungsleistungen von der biomedizinischen Grundlagenforschung über die Verfahrensentwicklung bis hin zur Entwicklung und Validierung neuester Technologien und Systemlösungen anbieten.

Die Kombination des biologisch-medizinischen Know-hows des Fraunhofer IZI mit den Kompetenzen in der Entwicklung von Keramikmaterialien und innovativen Messverfahren des Fraunhofer IKTS ist Basis für die Erarbeitung neuer Technologien und Verfahren für Diagnose und Therapie.

Das BNAL wurde vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung mit Mitteln der Europäischen Union und des Freistaats Sachsen gefördert.

 

Bereiche des Bio-Nanotechnologie-Anwendungslabors BNAL

 

Weitere Informationen (BNAL)

 

Ausgewählte Projekte und Forschungskooperationen

 

  • German Research-SME-Tandems: InnoHealth Australia:
    Deutsch-Australische Forschungskooperation im Projekt »Tissue.Implant.Interface«
  • ImplantHoloCut:
    Deutsch-Koreanisches Kooperationsprojekt mit dem Ziel ein schnelles, markerfreies und spezifisches Testverfahren für die standardisierte Evaluierung nicht-transparenter Biomaterialien zu entwickeln. Kooperationspartner auf koreanischer Seite sind HICS Company und Pixel Inc. Auf deutscher Seite beteiligt sich neben dem Fraunhofer IKTS die LLS ROWIAK LaserLabSolutions GmbH.

 

Publikationen

 

Dieser Link (ResearchGate) führt Sie zu Publikationen zur biologischen Materialanalytik von Dr. Juliane Spohn.

 

Erfahren Sie hier mehr zur biologischen Materialanalytik für Implantat-Material und Medizinprodukte:

 

  • AFM
  • Ellipsometrie
  • Spezifische Proteinadsorption auf Biokeramiken (in Vorbereitung)
  • Topische Funktionalisierung keramischer Oberflächen (in Vorbereitung)
  • Mausmodell zur Testung der Integrität neuwertiger Implantat-Materialien (in Vorbereitung)

Forschung aktuell

Untersuchungen zur Anhaftung und Ausbreitung von Zellen auf Siliciumnitrid

Thema

Ellipsometrie in der biologischen Materialanalytik