Bio- und Nanotechnologie

Implantat-Material, Materialcharakterisierung und zerstörungsfreie Prüfung in der Bio- und Nanotechnologie

An der Schnittstelle von Werkstoffwissenschaft, Biologie und Materialanalyse arbeitet die Abteilung »Bio- und Nanotechnologie« des Fraunhofer IKTS an der Weiterentwicklung und Optimierung von Implantat-Materialien und deren Oberflächeneigenschaften. Dazu werden Verfahren der biologischen Materialcharakterisierung sowie zerstörungsfreie Prüfverfahren und -systeme entwickelt und eingesetzt. Zudem werden über die Auftragsforschung hinaus Prüfdienstleistungen (inline- oder stationär) angeboten.

Die Wissenschaftler an den Standorten Dresden und Leipzig forschen in der Bio- und Nanotechnologie dabei stets kundennah. Das Ziel dabei: Ergebnisse der Grundlagenforschung schneller in marktreife Lösungen zu überführen. Das gilt für die Medizintechnik im Allgemeinen als auch für die Beurteilung der Bio- und Immunkompatibilität von Implantat-Materialien im Speziellen. Bestens ausgestattete Labore und Technika sichern dabei einen effizienten und qualitätsgerechten Forschungsprozess.

Bio- und Implantat-Material unter der Lupe

Die Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Charakterisierung von Implantat-Materialien und -Bauteilen. Innovative Implantate zählen technologisch und regulatorisch zu den anspruchsvollsten Medizinprodukten. Bei der Auswahl des geeigneten Implantat-Materials und der Werkstoffe für Medizinprodukt-Komponenten müssen stets die kritischen Mindestanforderungen überprüft und berücksichtigt werden.

Das Implantat bzw. Implantat-Material wird hinsichtlich Geometrie, Materialfehlern (z. B. Risse, Lunker, Poren, Delamination), mechanischer Spannungen, Härte, Gefüge und weiterer Merkmale im makro- bis nanoskopischen Bereich untersucht. Dafür nutzen die Wissenschaftler Verfahren wie die akustische Atomkraftmikroskopie (AFM/AFAM), Ultraschallmikroskopie, optische Kohärenztomographie (OCT) oder Ellipsometrie. Um das Degradationsverhalten von Materialien realitätsnah ex-vivo nachzuvollziehen, entwickelt und verwendet die Abteilung »Bio- und Nanotechnologie« Langzeitteststände mit verschiedenen körperähnlichen Flüssigkeiten.

Ein besonderes Augenmerk richtet sich außerdem auf Verfahren der additiven Fertigung (AM, Additive Manufacturing), die mit der optischen Kohärenztomographie (OCT) geprüft und überwacht werden. Mit den am Fraunhofer IKTS entwickelten integrierten Prüf- und Prozessüberwachungstechnologien können die Verfahren der additiven Fertigung ihr volles Potenzial für die Bottom-Up-Produktion mit einer Losgröße »eins« entfalten.

Biointerface: Wechselwirkungen zwischen biologischem und Implantat-Material

Ein weiteres Aufgabengebiet der Abteilung »Bio- und Nanotechnologie« ist die Entwicklung von Methoden und Technologien zur Evaluierung biologischer und immunologischer Eigenschaften von Implantat-Material und weiteren Medizinprodukten. Mithilfe zerstörungsfreier Mess- und Prüfverfahren können gezielt Aussagen zur Wechselwirkung zwischen biologischen und künstlichen Materialien getroffen werden. Auf deren Grundlage lassen sich mechanische Stabilität, Lebensdauer, Bio- und Immunkompatibilität der Materialien verbessern.

Außerdem arbeiten die IKTS-Wissenschaftler an der gezielten Modifikation und Funktionalisierung von Material- und Sensoroberflächen. Dafür werden diese mithilfe von Biomolekülen, Linkern und Nanopartikeln funktionsspezifisch angepasst. Die Funktionalisierung und Anwendung von Nanodiamantpartikeln spielt hierbei eine besondere Rolle. Darüber hinaus entwickeln die Biologen, Physiker und Ingenieure in zumeist europäischen Forschungskooperationen biologische Sensoren inkl. des entsprechenden Sensor-Packagings. In Dresden arbeitet die Abteilung »Bio- und Nanotechnologie« eng mit dem Max-Bergmann-Zentrum für Biomaterialien (MBZ) zusammen.

Werden diese wissenschaftlichen Kompetenzen aus Material- und Messtechnologieentwicklung kombiniert, führt dies zu neuartigen Ansätzen, die Entwicklern und Herstellern im Bereich der »Bio- und Nanotechnologie« einen Mehrwert bieten.