Charakterisierung beschichteter Polymer-Implantatstrukturen

Im Rahmen eines von der Europäischen Union geförderten Projekts hat das Fraunhofer IST Methoden zur Charakterisierung funktional beschichteter Polymere untersucht.

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Medizininnovation schneller zum Patienten

Das vom Land Niedersachsen über die NBank geförderte Verbundprojekt »Translationale Fertigungsplattform Medizininnovation« zielt darauf ab, mit einem strukturellen Neuansatz zur Beschleunigung des Innovationstransfers bisherige Barrieren abzubauen. Damit erhalten KMU und Start-Ups erstmals einen einfachen Zugang zu vorhandenen Spezialtechnologien für die Herstellung innovativer Medizinprodukte.

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LabBag®

Humane Stammzellen gelten als Hoffnungsträger in der personalisierten Medizin und sollen zukünftig z. B. in der Therapie von neurodegenerativen Erkrankungen eingesetzt werden. In einem vom Fraunhofer IST koordinierten Gemeinschaftsprojekt wurde ein geschlossenes oberflächenbasiertes Kultivierungssystem entwickelt.

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Plasmajet

Ein neuer Ansatz zur medizinischen Behandlung von fehlenden Knochenfragmenten ist das Implantieren von 3D-gedruckten und biologisch abbaubaren Polymergerüsten, sogenannten Scaffolds. Am Fraunhofer IST werden dazu während des 3D-Druckvorgangs mit einem Plasmajet Schichten mit geeigneten chemischen Gruppen mittels Atmosphärendruck-PECVD abgeschieden.

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ALD in fluidischen Systemen

Die gleichmäßige Innenbeschichtung von fluidischen Systemen mit nanometerdicken Schichten stellt eine besondere Herausforderung dar. Ziel der Arbeiten am Fraunhofer IST ist es, mittels Atomlagenabscheidung bei Atmosphärendruck atomar kompakte Schichten homogen in komplexen fluidischen Systemen auch bei niedrigen Temperaturen abzuscheiden.

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Modifikationen von Membranen zur Abwasserreinigung

Zur Verbesserung der Abwassereinigung von Schwermetallen wurde am Fraunhofer IST ein Atmosphärendruck-Plasmaverfahren entwickelt, um Filtermembranen gezielt zu funktionalisieren.

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Diamant reinigt Trinkwasser in Afrika

Mit dem Ziel, eine dezentrale und energieautarke Lösung zur Trinkwasseraufbereitung für ländliche Regionen in Afrika zu entwickeln, koordiniert das Fraunhofer IST ein durch die Europäische Union gefördertes Projekt »Self-Sustaining Cleaning Technology for Safe Water Supply and Management in Rural African Areas«, kurz: SafeWaterAfrica.

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Charakterisierung beschichteter Polymer-Implantatstrukturen

3D-gedruckte poröse polymere Gerüststrukturen, sogenannte Scaffolds, sind ein interessanter neuer Ansatz zur Behandlung fehlender Knochenfragmente. Zum idealen Einwachsen neuer Knochenzellen ist eine chemische Modifizierung der Polymeroberfläche notwendig. Dies kann z. B. durch Beschichtung mit einem Atmosphärendruck-Plasmajet erfolgen, indem schichtbildende Präkursoren mit den gewünschten funktionalen chemischen Gruppen eingesetzt werden. Um die Abscheideprozesse zu optimieren und wichtige Einflussgrößen zu identifizieren, ist es notwendig, die chemischen Gruppen zu vermessen. Im Rahmen eines von der Europäischen Union geförderten Projekts hat das Fraunhofer IST daher Methoden zur Charakterisierung funktional beschichteter Polymere untersucht.

Versuchsaufbau zur TFBA-­Derivatisierung.
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg
Versuchsaufbau zur TFBA-­Derivatisierung.
pp-APTMS: Schichtdicke und Gruppendichte in Abhängigkeit der Eindringtiefe.
© Fraunhofer IST
pp-APTMS: Schichtdicke und Gruppendichte in Abhängigkeit der Eindringtiefe.
Mit Methylenblau gefärbte elektrophile MSA-VTMOS-Schichten.
© Fraunhofer IST
Mit Methylenblau gefärbte elektrophile MSA-VTMOS-Schichten.

Der Ansatz

Nukleophile Gruppen wie Amine und Imine reagieren selektiv mit 4-Trifluormethylbenzaldehyd (TFBA). Dies kann ausgenutzt werden, um ihre Dichte auf Oberflächen zu bestimmen. Dazu werden die zu vermessenden Proben zunächst TFBA-Dämpfen ausgesetzt und anschließend belüftet (vgl. nebenstehende obere Abbildung). Die Anzahl verbliebener TFBA-Moleküle pro Fläche kann mittels verschiedener spektroskopischer Methoden wie der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie mit abgeschwächter Totalreflexion (ATR-FTIR), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) oder Elektronenstrahlmikroanalyse (EPMA) analysiert werden und ist ein Maß für die Dichte der nukleophilen Gruppen. Bei dreidimensionalen, porösen Substraten sind darüber hinaus die Eindringtiefe der Beschichtung und die Homogenität in die Tiefe von großem Interesse. Zur Charakterisierung der Eindringtiefe von Beschichtungen mit 3-Aminopropyl-Trimethoxysilan (APTMS) in Scaffolds wurden diese direkt nach der Beschichtung mit TFBA derivatisiert und nachfolgend aufgeschnitten. Entlang der Schnittkante wurden sowohl die Schichtdicke als auch die Dichte der Gruppen mittels EPMA bestimmt.

Die Ergebnisse

Die Untersuchungen von APTMS-Beschichtungen am Fraunhofer IST haben gezeigt, dass 10 mm dicke Scaffoldstrukturen vollständig ohne eine signifikante Abnahme der Schichtdicke oder der Gruppendichte mit einem Plasmajet beschichtet werden können (vgl. Abbildung oben). Durch höhere Prozessgasflüsse werden höhere Schichtdicken erzielt.

Für die Untersuchung von elektrophilen MSA-VTMOS-Schichten (Maleinsäureanhydrid und Vinyltrimethoxysilan als Plasma-Copolymer) wurden die beschichteten Proben mit Methylenblaulösung eingefärbt. Dieser Farbstoff bindet über elektrostatische Wechselwirkungen an die Carboxylgruppen des MSA. Die Beschichtung durchdrang den Scaffold nicht ganz. Wie im nebenstehenden Diagramm (unten) dargestellt, betrug die beobachtete Eindringtiefe lediglich 4 bis 6 Doppellagen der Scaffoldfilamente. Die Ursache könnte in dem wesentlich niedrigeren Dampfdruck des MSA liegen. Auch hier kann ein erhöhter Prozessgasfluss die Eindringtiefe erhöhen.

Ausblick

Mit den verwendeten Techniken konnten die Beschichtungen auf den Scaffoldstrukturen und auch deren chemische Aktivität nachgewiesen werden. Beides sind wichtige Voraussetzungen für eine weitere Optimierung der Prozessparameter und für weiterführende in-vitro und in-vivo Untersuchungen zum Zellwachstum.

Das Projekt

Das Projekt »Functionally graded Additive Manufacturing scaffolds by hybrid manufacturing«, kurz »FAST«, wurde über den Zuwendungsvertrag Nr. 689925 aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union gefördert. http://project-fast.eu/en/home

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