Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Laserlicht erzeugt synthetisches Gewebe für die regenerative Medizin

13.07.2011
Der Ersatz natürlichen Gewebes nach Verletzungen und Erkrankungen durch Implantate, die eine körpereigene Regeneration mit patienteneigenen Zellen ermöglicht, ist Ziel des Tissue Engineering.

Forschern des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT und weiterer Fraunhofer-Institute ist es nun gelungen, mit einem speziellen Laserverfahren biomimetische Hybridstrukturen zu erzeugen, die als Basis solcher Stütz- und Implantatstrukturen dienen, in welche die Zellen anschließend möglichst effektiv einwachsen.


Test-Struktur, bestehend aus einer Polymer-Stützstruktur und einer Protein-Funktionsstruktur.
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen


Bild 2: Kapillare aus künslichem, elastischem Polymer mit einem Durchmesser von 20 Mikrometern.
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen

Ist Gewebe durch eine Erkrankung oder einen Unfall stark geschädigt oder sind Gewebeteile vollständig entfernt, kann der Körper sich oft nicht selbstständig regenerieren. Häufig steht für Transplantationen kein entsprechendes körpereigenes Material zur Verfügung. Deshalb fordern Mediziner zunehmend Gewebe-Implantate, die eine vollständige Regeneration ermöglichen.

Doch die derzeitigen künstlich erzeugten Implantate sind oft nicht genügend an die Umgebung im Körper des Patienten angepasst und sind somit als Gewebe-Ersatz nur bedingt geeignet. Ein Grund hierfür ist das fehlende Wissen darüber, wie genau Zellen auf eine dreidimensionale Umgebung reagieren. Forscher des Fraunhofer ILT haben nun in Kooperation mit weiteren Fraunhofer-Instituten ein Verfahren zur Erzeugung biomimetischer Stützstrukturen entwickelt, das so naturgetreu wie möglich dem körpereigenen Gewebe nachempfunden ist. So haben sie für Biologen eine wichtige Voraussetzung dafür geschaffen, in Zukunft Gewebe-Implantate zu generieren, die eine Zellbesiedelung und ein Einwachsen optimal erfolgen lassen. Dazu haben die Aachener Forscher das Verfahren des Rapid Prototyping auf körpereigene Materialien übertragen. Sie kombinieren organische Substanzen mit Polymeren und erzeugen dreidimensionale Strukturen, die für den Bau von künstlichem Gewebe geeignet sind.

Laserlicht verwandelt Flüssigkeit in 3D-Festkörper

Als Basis dienen den Forschern gelöste Proteine und Polymere, die gezielt mit Laserlicht bestrahlt werden und durch photolytische Wirkungen vernetzt werden. Dazu setzen sie eigens entwickelte Laseranlagen ein, bei denen mittels ultrakurzen Laserpulsen sogenannte Multiphotonen-Prozesse ausgelöst werden, die zu einer Polymerisierung im Volumen führen. Im Gegensatz zu konventionellen Prozessen werden am Fraunhofer-ILT neuartige, kostengünstige Mikrochiplaser mit Pulsdauern im Pikosekundenbereich verwendet, die das Verfahren für jedes Labor erschwinglich machen. Das A und O des Verfahrens sind die extrem kurzen Pulszeiten und die hohen Intensitäten des Laserstrahls. Die kurzen Pulszeiten führen dazu, dass das Material keine schädliche Erwärmung erfährt. Höchste Pulsleistungen im Megawattbereich führen dazu, dass im Laserfokus extrem viele Photonen in extrem kurzer Zeit eintreffen und dort einen nichtlinearen Effekt auslösen. Die Moleküle in der Flüssigkeit nehmen mehrere Photonen zugleich auf, so dass sich freie Radikale bilden, die eine chemische Reaktion zwischen den umgebenden Molekülen auslösen. Durch diese so genannte Multiphotonen-Polymerisation entstehen aus der Flüssigkeit heraus Festkörper. Die Anlage steuert die Position des Laserstrahls gemäß vorgegebener CAD-Daten durch ein Mikroskopobjektiv hindurch auf wenige hundert Nanometer genau so, dass nach und nach mikrometerfeine, stabile Volumenelemente von vernetztem Material entstehen.

»Wir können auf diese Weise Stützgerüste für Zellverbände mit einer Auflösung von circa einem Mikrometer direkt aus gelösten Proteinen und Polymeren exakt nach unserem Bauplan erzeugen«, erklärt Sascha Engelhardt, Projektleiter am Fraunhofer ILT. »Diese der Natur nachempfundenen Stützgerüste werden uns wertvolle Antworten auf viele offene Fragen geben können.« Dazu verwendet das Forscher-Team unterschiedliche körpereigene Eiweißstoffe, etwa Albumin, Kollagen oder Fibronektin. Da reine Proteinstrukturen jedoch nicht sehr formstabil sind, kombinieren die Aachener Forscher diese mit biokompatiblen Polymeren. Zunächst wird aus diesen Polymeren ein Stützgerüst generiert, das den in einem nachfolgenden Schritt hergestellten Proteinstrukturen Halt bietet. Durch dieses neue Verfahren können nun wesentlich stabilere Proteinstrukturen hergestellt werden.

Mediziner können in einem weiteren Schritt körpereigene Zellen auf das Gerüst säen. Die besiedelten Gerüste sollen schließlich im Körper des Patienten ein gutes Anwachsen des Implantats ermöglichen. Langfristiges Ziel ist es, mit Hilfe des Verfahrens nicht nur einzelne Zellverbände, sondern komplette künstliche, maßgeschneiderte Organe zu erzeugen. Für die Medizin wäre dies ein Riesenfortschritt!

Momentan arbeiten die ILT-Forscher daran, das Verfahren zu optimieren. Beispielsweise soll die Produktionsgeschwindigkeit durch die Kombination mit anderen Verfahren des Rapid Prototyping erhöht werden.

Schnelle Prozesse sind nötig, um eines Tages mit diesem Verfahren maßgeschneiderte Gerüste für synthetische Gewebe wirtschaftlich erzeugen zu können.

Ansprechpartner im Fraunhofer ILT
Für Fragen stehen Ihnen unsere Experten zur Verfügung:
Dipl.-Phys. Sascha Engelhardt
Biotechnik und Lasertherapie
Telefon +49 241 8906-605
sascha.engelhardt@ilt.fraunhofer.de
Dr.-Ing. Martin Wehner
Biotechnik und Lasertherapie
Telefon +49 241 8906-202
martin.wehner@ilt.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15
52074 Aachen
Tel. +49 241 8906-0
Fax. +49 241 8906-121

Axel Bauer | Fraunhofer-Institut
Weitere Informationen:
http://www.ilt.fraunhofer.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht CHP1-Mutation verursacht zerebelläre Ataxie
23.01.2018 | Uniklinik Köln

nachricht Lebensrettende Mikrobläschen
23.01.2018 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Optisches Nanoskop ermöglicht Abbildung von Quantenpunkten

Physiker haben eine lichtmikroskopische Technik entwickelt, mit der sich Atome auf der Nanoskala abbilden lassen. Das neue Verfahren ermöglicht insbesondere, Quantenpunkte in einem Halbleiter-Chip bildlich darzustellen. Dies berichten die Wissenschaftler des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel zusammen mit Kollegen der Universität Bochum in «Nature Photonics».

Mikroskope machen Strukturen sichtbar, die dem menschlichen Auge sonst verborgen blieben. Einzelne Moleküle und Atome, die nur Bruchteile eines Nanometers...

Im Focus: Optical Nanoscope Allows Imaging of Quantum Dots

Physicists have developed a technique based on optical microscopy that can be used to create images of atoms on the nanoscale. In particular, the new method allows the imaging of quantum dots in a semiconductor chip. Together with colleagues from the University of Bochum, scientists from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute reported the findings in the journal Nature Photonics.

Microscopes allow us to see structures that are otherwise invisible to the human eye. However, conventional optical microscopes cannot be used to image...

Im Focus: Vollmond-Dreierlei am 31. Januar 2018

Am 31. Januar 2018 fallen zum ersten Mal seit dem 30. Dezember 1982 "Supermond" (ein Vollmond in Erdnähe), "Blutmond" (eine totale Mondfinsternis) und "Blue Moon" (ein zweiter Vollmond im Kalendermonat) zusammen - Beobachter im deutschen Sprachraum verpassen allerdings die sichtbaren Phasen der Mondfinsternis.

Nach den letzten drei Vollmonden am 4. November 2017, 3. Dezember 2017 und 2. Januar 2018 ist auch der bevorstehende Vollmond am 31. Januar 2018 ein...

Im Focus: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

Veranstaltungen

15. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

23.01.2018 | Veranstaltungen

Gemeinsam innovativ werden

23.01.2018 | Veranstaltungen

Leichtbau zu Ende gedacht – Herausforderung Recycling

23.01.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Lebensrettende Mikrobläschen

23.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

3D-Druck von Metallen: Neue Legierung ermöglicht Druck von sicheren Stahl-Produkten

23.01.2018 | Maschinenbau

CHP1-Mutation verursacht zerebelläre Ataxie

23.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics