Mit hochbrillianten Faserlasern können Kunststoffteile für Katheter und mikrofluidische Komponenten ohne Degradation und unter sterilen Bedingungen gefügt werden. Für Dosiersysteme und miniaturisierte Medikamentendepots werden mit Kurzpulslasern Poren mit Abmessungen von einigen Mikro- bis Millimetern sowohl in weichen und flexiblen Materialien wie Polymeren als auch in sprödharten Materialien wie Keramiken erzeugt. Zudem lassen sich mit Strukturierungs- und Abformprozessen Komponenten für die minimal-invasive Chirurgie und Diagnostik herstellen. Durch gezielte photochemische Funktionalisierung können die Benetzungseigenschaften sowie die Zelladhäsionseigenschaften von Oberflächen kontrolliert werden.
Optimierte Oberflächen durch Laserabtrag
Die Zellen unseres Körpers organisieren sich durch spezifische biologische Stimuli zu Geweben. Zur gezielten Kontrolle des Zellwachstums und der Zelldifferenzierung unter Laborbedingungen (in vitro) untersuchen Experten des Fraunhofer ILT mechanische, topografische und molekulare Reize, die durch laserbasierte Modifizierungsschritte auf künstlichen Oberflächen ortselektiv realisiert werden können. Mikro- und Nanostrukturen verändern die Rauheit und Benetzbarkeit, wodurch Zelladhäsion, Proliferation und Differenzierung beeinflusst werden. Damit können Oberflächen geschaffen werden, die ein gerichtetes Zellwachstum begünstigen wie beispielsweise Nanorillen, welche durch Interferenzstrukturierung hergestellt werden können. Diese bewirken eine Änderung in der Verteilung der fokalen Adhäsionsstellen der Zelle und beeinflussen unter anderem komplexe Mechanismen wie die Zellproliferation und -differenzierung.
Funktionalisierung durch Photoimmobilisierung
Eine weitere Möglichkeit ist die selektive photochemische Funktionalisierung von Oberflächen durch Laserstrahlung. Durch Photooxidation entstehenden Ankergruppen, die zur kovalenten Immobilisierung von bioaktiven Molekülen wie Peptiden, Proteinen oder Wachstumsfaktoren genutzt werden können. Ebenso können photoaktivierbare Moleküle, so genannte Photolinker, dazu genutzt werden, selektiv in bestrahlten Zonen an Polymeroberflächen anzubinden und für die weitere Funktionalisierung mit bioaktiven Verbindungen zur Verfügung zu stehen. Mögliche Anwendungen finden sich im Bereich des Tissue Engineering, zur Züchtung künstlichen Gewebes und für die Assay Entwicklung zur gezielten Steuerung der Zelldifferenzierung von IPSCs (induced pluripotent stem cells).
In der individualisierten Medizin werden Medikamente an Zellkulturen der Patienten auf Wirkungen und Nebenwirkungen getestet, um dadurch vorab maßgeschneiderte Therapien zu ermöglichen. Dazu werden so genannte induzierte pluripotente Stammzellen aus dem Körpergewebe der jeweiligen Patienten gewonnen, die für die Medikamententests in verschiedene Gewebearten ausdifferenziert werden können. Zur wirtschaftlichen Herstellung der Gewebeproben ist es erforderlich, IPSC-Kulturen automatisiert zu züchten, zu analysieren und zu sortieren. Hierzu hat das Fraunhofer ILT einen Kombinationsprozess aus einem kontaktlosen Laser induzierten Bioprinting Prozess (LIFT, Laser induces forward transfer) und einer am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT entwickelten Highspeed-Mikroskopie entwickelt. Die Kombination ermöglicht es, Zellkulturen in 6-Well-Mikrotiter-Platten zu kultivieren und gezielt Zellen aus der Kultur zu entnehmen und diese zu verdrucken oder weiter zu kultivieren.
Neben der Oberflächenfunktionalisierung und dem Bioprinting mit Laserstrahlung können funktionelle Gerüste und Organ-on-Chip-Mikrofluidiken auch additiv mit einem hohen Freiheitsgrad in der Auslegung des Designs hergestellt werden.
Fertigungsverfahren für Organ-on-Chip-Mikrofluidiken
Anwendungen sind beispielsweise der Aufbau von Stützgerüsten für die Geweberegeneration für Haut oder Herzklappen oder Testsysteme für die Medikamentenentwicklung. Dabei sind personalisierte Systeme, die mit patienteneigenen Zellen besiedelt werden, ein erfolgversprechender Ansatz, um patientenspezifische Therapien zu entwickeln. Hierfür entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer ILT Laserpolymerisationsverfahren zur Herstellung von Stützstrukturen und Mikrofluidiken mit künstlichen Versorgungssystemen. Diese bestehen aus biokompatiblen und bioabbaubaren Polymeren, die für die anschließende Zellbesiedelung ausgelegt sind.
Weitere Informationen
Auf der Laser World of Photonics gibt Dr. Lenenbach am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand Auskünfte rund um biomedizintechnische Laserverfahren und Technologien.
Auf der Messe: Halle A3, Stand 441
Kontakt zu den Experten für Biofunktionalisierung am Fraunhofer ILT:
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstr. 15
52074 Aachen
Dr. rer. nat. Elke Bremus-Koebberling
Gruppe Biofabrikation
Tel: 0241 8906-396
elke.bremus@ilt.fraunhofer.de
Dr. rer. nat. Nadine Nottrodt
Gruppe Biofabrikation
Tel: 0241 8906-605
nadine.nottrodt@ilt.fraunhofer.de
