Laserbasierte Scaffold-Erstellung & Oberflächenfunktionalisierung
Durch Laser-Engineering werden die chemischen/biochemischen und die Festkörper-Materialen direkt entsprechend der Anforderungen der Patienten und der Modellsysteme strukturiert.
Hierbei werden verschiedene Ziele verfolgt:
- eine verbesserte Integration des Implantats in das Gewebe über die Generierung spezifischer Oberflächen-Topographien
- die Herstellung dreidimensionaler Stützstrukturen, sogenannter Scaffolds und mikroporöser Implantate
- die Herstellung und Einbindung von Nanopartikeln zur weiteren Materialfunktionalisierung
Materialoberflächen können entweder durch Ultrakurzpulslaserablation oder mittels Mikroreplikationstechnik im Nanometer- oder Mikrometerbereich kontrolliert und reproduzierbar strukturiert werden. Es wurde gezeigt, dass diese Topographien selektiv das Zellverhalten steuern können und eine antibakterielle Wirkung erzeugt werden kann. Diese mikrostrukturierten Oberflächen können außerdem zusätzlich mit verschiedenen Nanopartikeln beschichtet werden, um die beabsichtigte Wirkung auf Zellen zu erweitern oder zu verbessern.
Die Mikroreplikation kann ebenso zur Herstellung von Scaffolds genutzt werden, primär kommt aber die 3D-Strukturierung durch die 2-Photonen-Polymerisationstechnik (2PP) zum Einsatz. Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) ist eine neue Technik, die die CAD-basierte Herstellung beliebiger 3D-Objekte in einem einzigen Schritt ermöglicht. 2PP wird durch die simultane Absorption von zwei (oder mehr) Photonen ausgelöst und benötigt somit hohe Intensitäten. Der Laser wird so eingestellt und fokussiert, dass diese Intensitäten nur im Laserfokus erreicht werden. Dadurch ist die Licht-Materie-Wechselwirkungszone auf das Fokusvolumen begrenzt, während der Rest des Materials unverändert bleibt. Die Zweiphotonenabsorption initiiert den Polymerisationsprozess und kann zum Beispiel Material von der flüssigen in die feste Phase transferieren. Der Laserfokus wird durch das Volumen des Materials geführt und hinterlässt eine dünne Spur polymerisierten Materials. Dies ermöglicht die Herstellung jeder Computer-generierten 3D-Struktur durch direktes Laser-Schreiben in das Volumen des photosensitiven Polymers. Durch das Schwellwert-Verhalten und die nichtlineare Natur des 2PP-Prozesses kann eine Auflösung jenseits des Beugungslimits durch die Kontrolle der Laserpulsenergie und die Anzahl der Laserpulse realisiert werden. Sowohl synthetische als auch natürliche Materialien wie Fibrin, Hyaluronsäure oder Gelatine lassen sich auf diese Weise dreidimensional strukturieren. In Zusammenarbeit mit dem Modul „Biokompatibilität / Zell-Test-Systeme“ und den BIO-Modulen wird die zellbiologische Aktivität der hergestellten Strukturen validiert, zum Beispiel bezüglich der Stammzelldifferenzierung und des Gewebeeinwuchsverhaltens.
Nanopartikel werden mittels Laserstrahlabtragung in Flüssigkeiten generiert und können in jeden beliebigen medizinischen Kunststoff eingebettet werden. Der Einsatz von Nanokompositen aus Kunststoffen mit eingebetteten metallischen Nanopartikeln ist ein vielversprechender Ansatz zur Herstellung von Medizinprodukten mit antibakteriellen Eigenschaften und damit ein Schutz vor Infektionen. Metallische Nanopartikel aus Silber oder Kupfer setzen in wässriger Umgebung Ionen frei, die beim Kontakt mit Bakterien deren Absterben bewirken und auf diese Weise einen antibakteriellen Schutz bieten.
Durch Funktionalisierung des gesamten Bauteilvolumens mit Nanopartikeln erreicht man im Vergleich zu Beschichtungen einen verbesserten Langzeitschutz. Ein weiterer großer Vorteil dieses Verfahrens ist die hohe Reinheit der entstehenden Nanomaterialien, da auf chemische Edukte und Stabilisierungsreagenzien verzichtet werden kann. Die prozessbedingte Partikelladung bewirkt eine hohe kolloidale Stabilität und ermöglicht eine weitere Funktionalisierung der Partikel mit biologisch wirksamen Additiven, z.B. Antibiotika, DNA-Molekülen oder anderen Liganden.
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