Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

Oberflächenstrukturierung im Mikro- und Nanometerbereich

Grenzflächeneigenschaften wie Benetzbarkeit, Biokompatibilität, Adhäsion und optische Eigenschaften sind von entscheidender Bedeutung für die Funktionalität von Materialien und Produkten in verschiedenen technischen Anwendungen. Am Fraunhofer IMWS wird in der Arbeitsgruppe für biofunktionale Materialien für Gesundheit und Umwelt seit vielen Jahren an der Optimierung von Produkt- und Grenzflächeneigenschaften durch Mikro- und Nanostrukturierung geforscht.

Hierbei kommen sowohl direkte Verfahren zur Mikro- und Nanostrukturierung, wie Laserbearbeitung und elektrochemische Anodisierung, als auch mikro- und nanostrukturierte Abformwerkzeuge in den Bereichen Spritzguss, Heißprägen und Tiefziehen zum Einsatz. Ein wesentlicher Vorteil der bereits patentierten Technologie besteht darin, dass durch die gezielte Gestaltung der Oberflächenstrukturen neue Materialeigenschaften erzielt werden können, ohne dass zusätzliche Elemente wie Additive oder Beschichtungen erforderlich sind.

Darüber hinaus werden langwierige und kostspielige Zulassungsverfahren vermieden, da die Mikro- und Nanostrukturierung auf bereits zugelassenen und chemisch unveränderten Materialien durchgeführt werden kann. Dies ermöglicht es Unternehmen, erheblich Zeit und Kosten bei der Einführung verbesserter Produkte zu sparen.

Alle ausklappen Alle einklappen

Optimierung der Benetzbarkeit durch Nanostrukturierung

Ein neu entwickeltes, patentiertes Verfahren zur Nanostrukturierung ermöglicht die Anpassung der Grenzflächeneigenschaften wie beispielsweise Benetzbarkeit oder optische Eigenschaften von thermoplastischen Polymeren durch Heißprägen unter Verwendung von nanostrukturierten Formwerkzeugen auf Basis nanoporöser Aluminiumoxidschablonen.

Verbesserte Adhäsion durch hierarchische Strukturierung

Die hervorragende Fähigkeit des Geckos, auf nassen Oberflächen zu haften, wird im Allgemeinen auf die große Haftfläche der hierarchischen und fibrillären Struktur an seinen Füßen zurückgeführt. Um die Hafteigenschaften von Polymeren zu verbessern, wurde eine neue Methode zur hierarchischen Strukturierung durch Spritzgießen unter Verwendung mikro- und nanostrukturierter Templates entwickelt. 

Nanostrukturierte Membranen für das Tissue Engineering

Membranen aus porösem Aluminiumoxid sind aufgrund ihrer hochoffenen und parallelen Porenstruktur vielversprechend für die Zellkultivierung und das Tissue Engineering. Die Einstellbarkeit der Membraneigenschaften (Porendurchmesser, Membrandicke) und zusätzliche Oberflächenmodifikationen ermöglichen eine hohe Variabilität der Zellwachstumsbedingungen. 

Mikro-Oberflächenmodifizierung von Drug-Eluting Ballonkathetern

Medikament-beschichtete Ballonkatheter geben nur eine geringe Menge des Arzneimittels an das Gewebe ab, mit dem sie in Kontakt kommen. Der größte Teil geht während des Transports in den Blutkreislauf verloren. Zur Überwindung dieses Problems wurden PTCA-Polyisopren-Ballonkatheter mit transportsicheren Medikamentenreservoirs durch Laserstrukturierung versehen.

Durch die gezielte Gestaltung der Oberflächenstruktur biologischer Materialien im Mikro- und Nanometerbereich lassen sich zahlreiche Eigenschaften verbessern, was neue Möglichkeiten für medizinische Anwendungen eröffnet, etwa in der Zahnmedizin, Orthopädie oder regenerativen Medizin. Zu diesen Eigenschaften gehören Biokompatibilität (optimierte Interaktion mit biologischen Geweben, Reduzierung von Abstoßungsreaktionen), Zelladhäsion (Anheftung und Wachstum von Zellen), Oberflächenenergie (Benetzbarkeit und Interaktion mit Flüssigkeiten) und mechanische Eigenschaften (Festigkeit, Flexibilität). Speziell gestaltete Oberflächenstrukturen können zudem das Wachstum von Bakterien hemmen und somit Infektionen vorbeugen, auch zur Freisetzung von Medikamenten oder Wachstumsfaktoren (Drug Delivery Systemen) lassen sie sich einsetzen. Effiziente Technologien zur Erzeugung solcher Mikro- und Nanostrukturen sind dabei genauso wertvoll wie umfassendes materialwissenschaftliches Know-how zur Bewertung der erzielten Performance.

 

Mikro- und Nanostrukturierung von Oberflächen

  • Nanostrukturierung mittels elektrochemischer Anodisierung
  • Mikro-Laserbearbeitung mittels fs-, ps und ns-Lasern
  • Heißprägen mittels Laborpressen in P2P und R2P
  • Spritzguss mittels Spritzgussanlagen ARBURG S320 und Kraus Maffei KM200
  • Tiefziehen mittels Scheu-Dental BIOSTAR

 

Materialwissenschaftliche Bewertung

  • Thermische Eigenschaften mittels Differential Scanning Calorimetry (DSC)
  • Bewertung der 3D-Mikrostruktur mittels Laserscanning-Mikroskopie (LSM)
  • Hochauflösende Darstellung der 2D-Mikro-Nanostruktur mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM)
  • Untersuchung der Benetzbarkeit und der Oberflächenenergie mittels Kontaktwinkelmessung
  • Bewertung von mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Adhesions- und Hafteigenschaften mittels Texture Analyzer
  • Spektroskopische Verfahren (UV-Vis, FTIR) zur Bestimmung der Absorptions- und optischen Eigenschaften
  • Nachweis der Biokompatibilität nach ISO 10993