Oberflächenbehandlung mittels Atmosphärendruck-Plasmaverfahren

Presseinformation / 11.4.2017

Im Bereich der Medizintechnik sind die Anforderungen an verwendete Materialien hoch. Bei vielen Produkten werden kostengünstige Kunststoffe eingesetzt. Oft müssen sie nicht nur biokompatibel sein, sondern auch noch definierte Oberflächeneigenschaften haben oder für die nachfolgende Ankopplung von Biomolekülen funktionalisiert werden. Atmosphärendruck-Plasmaverfahren, wie sie am Fraunhofer IST eingesetzt und entwickelt werden, bieten vielseitige Möglichkeiten, Oberflächen in ihren physikalischen oder chemischen Eigenschaften so zu verändern, dass sie für biomedizinische Anwendungen verwendet werden können.

© Foto Fraunhofer IST, Falko Oldenburg

Atmosphärendruck-Plasmabehandlung am Fraunhofer IST: Verbessertes Wachstum der Stamm­zellen auf den Oberflächen plasmabeschichteter Beutel.

Bei der Kultivierung von Zellen, der Entwicklung von Medikamenten und Biosensoren oder beim Einsatz medizinischer Produkte wie Stents oder Schläuche spielen die Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen Material und Medium oder Biomolekül eine entscheidende Rolle. Oft werden jedoch für biomedizinische Produkte Materialien wie z. B. Kunststoff oder Glas verwendet, deren Oberflächen inert sind, sodass es notwendig wird, die Oberflächeneigenschaften gezielt einzustellen. Am Fraunhofer IST werden dazu Prozesse für die Oberflächenfunktionalisierung oder -beschichtung mittels dielektrisch behinderter Entladung bei Atmosphärendruck entwickelt.

Bei dieser Technologie wird ein kaltes physikalisches Plasma gezündet, mit dem die Oberflächen unterschiedlichster, auch temperaturempfindlicher Materialien behandelt werden. Bei geeigneter Prozessführung ist es so z. B. möglich, die Benetzbarkeit mit polaren Medien wie Wasser zu verbessern, auch in kapillaren oder porösen Strukturen. Weiter können Oberflächen gezielt funktionalisiert werden, indem chemisch reaktive Gruppen erzeugt werden: Amino- oder Epoxygruppen eignen sich beispielsweise für eine nachfolgende Ankopplung von Biomolekülen wie Enzymen, Antigenen oder Antikörpern. Stickstoffhaltige Gruppen auf Oberflächen wie primäre und sekundäre Amine begünstigen das adhärente Zellwachstum und erlauben so eine effiziente Kultivierung verschiedener Zelltypen.

Ein wesentlicher Vorteil der Atmosphärendruck-Plasmaverfahren sind neben der universellen Eignung für verschiedenste Substrate – von Kunststoff und Glas über Metall bis hin zu Textilien und Leder – auch die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten im Hinblick auf die Substratgeometrie. Neben Flachsubstraten können auch komplexe Geometrien modifiziert werden, sogar eine Innenbeschichtung ist möglich. Damit eignet sich die Technologie u. a. für die Behandlung von PCR-Tubes, mikrofluidischen Systemen, Beuteln oder Scaffolds. Gegenüber anderen – oft nasschemischen Verfahren – zur Oberflächenbehandlung haben Atmosphärendruck-Plasmaverfahren den Vorteil, dass es sich um lösungsmittelfreie Prozesse handelt und nur vergleichsweise kurze Prozesszeiten erforderlich sind.

Ein aktuelles Beispiel für den erfolgreichen Einsatz der Technologie wird auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand der Biotechnica 2017 in Halle19/20 auf dem Stand B02 präsentiert. LabBag®, das neuartige »Labor im Beutel« zur Kultivierung von Stamm­zellen, wurde vom Fraunhofer IST gemeinsam mit zwei weiteren Fraunhofer-Instituten, dem Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT und dem Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV entwickelt. Die Oberfläche des steril verschlossenen Beutels wird von innen mittels Atmosphärendruck-Plasmaverfahren funktionalisiert. Nach dem Einfüllen der Nährlösung unter sterilen Bedingungen bilden sich an der Beutelwand selbstständig »Hängende Tropfen« zur Kultivierung von Stammzellen.