Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTSAutor / Video: Andrea Gaal und Patrick Menke
#diensttalk mit Natalia Beshchasna: Forschung rund um die Welt – Entwicklung von Materialien und Oberflächen für die Medizintechnik
Das Porträt am Dienstag. Beim #diensttalk geben unsere Mitarbeiter*innen einen kleinen Einblick in ihre Tätigkeiten und verraten, was das Besondere an ihrer Arbeit ist.
Natalia Beshchasna beschäftigt sich am IKTS-Standort in Dresden-Klotzsche mit biofunktionalen Materialien und Point-of-care-Diagnostik. Sie erzählt, an welchen Themen sie in der gleichnamigen Arbeitsgruppe arbeitet und wie international sowohl Team als auch Projekte sind.
Natalia, woran arbeitest Du am Institut?
In der Arbeitsgruppe »Biofunktionale Materialien und Point-of-Care-Diagnostik« entwickeln wir Materialien und Oberflächen für medizinische Anwendungen. Dazu gehören Stents, künstliche Herzklappen oder bioaktive Strukturen, die die Regeneration von Knochen und Gewebe unterstützen.
Was können wir uns unter Point-of-Care-Diagnostik vorstellen? Hast du ein Anwendungsbeispiel?
Unter Point-of-Care-Diagnostik (POCT) versteht man eine Sofortdiagnostik direkt am Patienten – auch außerhalb des klinischen Umfelds. Ein bekanntes Beispiel sind Corona-Selbsttests.
Blutuntersuchungen liefern wertvolle Hinweise auf Ursachen und Verlauf einer Erkrankung. Die Point-of-Care-Diagnostik setzt hier an: sie ermittelt den aktuellen Gesundheitszustand schnell und unterstützt Ärztinnen und Ärzte bei Diagnose und Therapie.
Für die Analyse vieler Komponenten im Blut ist die Trennung von Plasma oder Serum vom Vollblut erforderlich. Diese Separation erfolgt üblicherweise in Zentrifugen oder mithilfe spezieller Bluttrennmembranen. In Kooperation mit akademischen und Industriepartnern aus Südkorea haben wir im Projekt PlasmaSep ein tragbares Gerät entwickelt, das Serum aus einem kleinen Vollblut-Volumen (< 5 ml) abtrennt. Dazu wird ein Fläschchen mit einer zuvor entnommenen Vollblutprobe in das Gerät eingesetzt. Über ein aktiviertes Element erhält man am Auslass das Fläschchen mit isoliertem Serum – und das völlig chemikalienfrei. Das Serum kann nun im POCT-Messgerät analysiert werden.
Ein weiteres Forschungsfeld von dir sind biofunktionale Materialien. Wo siehst du hier Ansätze bzw. Anwendungen?
Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Komplikationen, die sich aus ihrer Behandlung ergeben, zählen weltweit zu den häufigsten Todesursachen. Aortenklappenfehler tragen wesentlich dazu bei. Je nach Schweregrad benötigen Patientinnen oder Patienten eine Reparatur oder einen Ersatz der Herzklappe. Die dabei eingesetzten Implantate lassen sich in zwei Gruppen unterteilen: mechanische und biologische Herzklappen.
Mechanische Herzklappen bestehen aus künstlichen Materialien. Ihr Hauptvorteil ist die lange Haltbarkeit von 20 bis 30 Jahren. Allerdings erhöhen diese Implantate das Thromboserisiko, so dass Betroffene lebenslang blutverdünnende Medikamente einnehmen müssen.
Biologische Herzklappen verursachen dieses Problem in der Regel nicht und sind daher eine vielversprechende Alternative. Sie werden häufig aus artfremden (xenogenen) Materialien wie Schweine- oder Rindergewebe hergestellt. Durch eine fortschreitende Verkalkung des Gewebes (Kalzifizierung) können Bioprothesen jedoch nach 10 bis 12 Jahren versagen.
Wenn Weichgewebe verkalkt, wird das Implantat steifer. Das kann dazu führen, dass Blut zurückfließt (Regurgitation), sich die Klappe verengt (Stenose) oder das Gewebe sogar einreißt. Um das zu vermeiden, wird xenogenes Gewebe häufig vorbehandelt. Ziel ist ein Endprodukt, das biokompatibel, nicht toxisch und langlebig ist, seine mechanischen Eigenschaften erhält und keine Thrombosen oder immunologische Reaktionen auslöst.
Im Projekt VENUS entwickeln wir eine Vorbehandlung gegen Kalzifizierung für elastinreiche xenogene Materialien. Dabei nutzen wir Fetuin A – einen natürlichen Wirkstoff, der die Verkalkung hemmen kann. Wir entwickeln verschiedene Strategien, um Fetuin A auf elastinreichen Gewebeproben und Transplantaten aus der Rinderjugularvene zu immobilisieren und untersuchen diese in vitro und in vivo (also im Labor und am lebenden Organismus).
Im Fokus der Herzklappenmaterialentwicklung stehen Biokompatibilität, Biostabilität und die Kalzifizierungseigenschaften der Gewebe. Zur Charakterisierung setzen wir zum Beispiel die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR), die Raman-Spektroskopie, die optische Kohärenztomographie (OCT) oder die Rasterelektronenmikroskopie (REM) ein.
Am Projekt VENUS (gefördert vom Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus SMWK, Antragsnummer 100631657) sind Partner aus der Türkei, Polen und Lettland beteiligt; durch Kooperationen in Brasilien können wir die Technologie perspektivisch auch praktisch anwenden.
Du und dein Team seid viel in der Welt unterwegs.
Das stimmt. Neben den genannten Projekten haben wir noch weitere Kooperationen, zum Beispiel in Indonesien und Australien. Und so international wie unsere Projekte sind, so international ist auch unser Team. In meiner Gruppe arbeiten Mitarbeitende und Studierende aus 13 Nationen. Die unterschiedlichen kulturellen Erfahrungen bringen vielfältige Sichtweisen ein. Das bereichert die Zusammenarbeit spürbar. Ich bin stolz darauf, eine so engagierte Arbeitsgruppe hier am Fraunhofer IKTS leiten zu dürfen.
