ArchivDeutsches Ärzteblatt45/2013Verarbeitungstechniken für Kunststoffe: Lichtgestalten in der Medizintechnik

TECHNIK

Verarbeitungstechniken für Kunststoffe: Lichtgestalten in der Medizintechnik

Dtsch Arztebl 2013; 110(45): A-2156

Kempe, Lisa

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Biotinten aus dem Drucker, die durch UV-Licht zu dreidimensionalen Hydrogelen aushärten, Kunststoffe, die per Laser im Nanobereich strukturiert werden oder optische Klebstoffe, die unter Licht glasklar aushärten – Licht revolutioniert die Verarbeitung von Kunststoffen.

Mit einem Tintenstrahldrucker werden Zellsuspensionen auf rosa schimmernde Hydrogel-Pads gedruckt. Foto: Fraunhofer IGB
Mit einem Tintenstrahldrucker werden Zellsuspensionen auf rosa schimmernde Hydrogel-Pads gedruckt. Foto: Fraunhofer IGB

Mehr als die Hälfte aller weltweit hergestellten Medizinprodukte bestehen aus Kunststoff: Dazu zählen Massenartikel wie Einwegspritzen oder Intubationsschläuche genauso wie individuell angefertigte Beinprothesen, die dem Träger dank ausgeklügelter Verbundkonstruktionen aus Kunststoff und Karbonfasern das Laufen in Rekordzeit ermöglichen. Es sind die technisch anspruchsvollen und entsprechend hochwertigen Kunststoffsortierungen, die ihren Einsatz im Dienst der Gesundheit finden.

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Hohe Beständigkeit im Kontakt mit Chemikalien oder Körperflüssigkeiten, Biokompatibilität, sichere Sterilisierbarkeit und eine gute optische Qualität sind nur wenige Beispiele für Kriterien, die Kunststoffe für die Medizintechnik erfüllen müssen. Dabei wachsen nicht nur die Ansprüche an die neuen Materialien, auch die Fertigungstechniken werden kontinuierlich optimiert. Die Produktionsverfahren werden schneller und flexibler, gleichzeitig nimmt die Komplexität der Fertigung zu.

Künstliches Gewebe aus dem 3-D-Drucker

Die regenerative Medizin ist ein Forschungsschwerpunkt am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart. Hier kommt künstlich hergestelltes Gewebe aus dem Tintenstrahldrucker. Die 3-D-Drucker in den Stuttgarter Laboren haben viel gemeinsam mit herkömmlichen Bürodruckern, zum Beispiel das Tintenreservoir und die Düsen. Basis für die Tinte der Fraunhofer-Forscher ist ein Biopolymer, ähnlich der Gelatine, das durch chemische Modifikationen für den 3-D-Druck optimiert wurde. Denn während des Ausdruckens muss die Biotinte flüssig bleiben. Erst danach wird sie durch Bestrahlung mit UV-Licht zu einem Hydrogel vernetzt, das ganz unterschiedliche dreidimensionale Formen ausfüllen kann. Die chemische Modifizierung der Biomoleküle können die Forscher so steuern, dass die resultierenden Gele unterschiedliche Festigkeiten und Quellbarkeiten besitzen. Damit lassen sich die Eigenschaften von natürlichen Geweben nachbilden – von festem Knorpel bis hin zu weichem Fettgewebe.

Auch aus künstlichen Ausgangsmaterialien lassen sich mit den Druckern der Stuttgarter Forscher Gele produzieren, die als Ersatz für die extrazelluläre Matrix dienen können. Zum Beispiel haben sie ein System entwickelt, das ohne die Ausbildung von Nebenprodukten zu einem Hydrogel vernetzt und direkt mit Zellen besiedelt werden kann. „Auch wenn das Potenzial von künstlich hergestellten Biotinten groß ist, müssen wir erst noch einiges über die Wechselwirkungen zwischen den Kunststoffen und dem natürlichen Gewebematerial lernen. Unsere Variante gibt den Zellen ihre natürliche Umgebung und kann so direkt die Selbstorganisation der gedruckten Zellen zu einem funktionalen Gewebemodell fördern“, schildert Dr. Kirsten Borchers den Ansatz am IGB.

Langfristiges Ziel ist die Herstellung von vaskularisiertem Gewebe. Daran arbeitet das IGB zusammen mit anderen Partnern in dem von der Europäischen Union geförderten Projekt ArtiVasc 3D (www.artivasc.eu). Mit der neuen Technik sollen feine Blutgefäßmodelle aus synthetischen Materialien produziert werden, um damit erstmals künstliche Haut mit dem darunterliegenden Fettgewebe zu erzeugen. „Um künftig ganze Organe drucken zu können, ist dieser Schritt sehr wichtig. Erst wenn es uns gelingt, Gewebe zu produzieren, die durch ein Blutgefäßsystem versorgt werden können, ist der Druck von größeren Gewebestrukturen möglich“, erklärt Borchers.

Laser platziert lebende Zellen punktgenau

Beim Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) setzt man auf Laserverfahren zur Herstellung von künstlichen Gefäßsystemen aus biokompatiblen und bioabbaubaren Polymeren, die mit Zellen besiedelt werden können. Eines der neuen Laserverfahren am ILT ist die sogenannte hochauflösende Mehrphotonenpolymerisation mit Femtosekundenlasern. Damit können komplexe Strukturen für den Gerüstbau von bioartifiziellen Gefäßprothesen mikrometergenau aufgebaut werden. Als Werkstoffe kommen dafür sowohl synthetische Polymere als auch Protein infrage. Mit dem „Laser Induced Forward Transfer“-Verfahren verfügt das ILT sogar über eine Anlage, die biologische Substanzen oder gar einzelne lebende Zellen punktgenau auf ein Trägermaterial setzen kann. Das System kann bei einer Auflösung von 10 bis 300 Mikrometern bis zu 500 000 Punkte auf einer daumennagelgroßen Fläche auftragen. (Compamed: Fraunhofer-ILT, Halle 8a/F34)

Kunststoffe sind ein rasant wachsender Markt mit oft extrem kurzen Lebenszyklen und Produkten, die einem permanenten Innovationsdruck unterworfen sind. Mit dem Werkzeug Licht scheint der Vielfalt von maßgeschneiderten Produkten aus Kunststoff keine Grenze mehr gesetzt zu sein.

Dr. rer. nat. Lisa Kempe

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