Wir unterstützen die Entwicklung wirksamer Pflege- und Medizinprodukte durch fundierte Aufklärung von Wirkmechanismen und Entwicklung innovativer Materialien.
Darauf aufbauend konzipieren wir leistungsfähige Oberflächentechnologien zur Optimierung biofunktionaler Eigenschaften. Mit unserer wissenschaftlichen und technologischen Expertise beraten wir Industriekunden strategisch bei produkt- und anwendungsbezogenen Fragestellungen in Medizin, Pflege und Umwelt.
Forschung zu Biofilmen im Mundraum leistet entscheidende Beiträge zur Kariesprävention, ermöglicht neue Therapieansätze gegen Parodontose und eine dauerhafte Optimierung der Mundflora. Auch für die Bekämpfung von Antibiotikaresistenzen spielt das Verständnis von Struktur und Funktion oraler Biofilme eine wichtige Rolle. Die Entwicklung von Materialien, die biokompatibel und weniger anfällig für Biofilmbildung sind, ein genaues Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Biofilmen und verschiedenen Werkstoffen, der Test von Wirkstoffen sowie die gezielte Anpassung von Oberflächen, um die Entstehung von Biofilmen zu vermeiden, leisten somit erhebliche Beiträge zur Verbesserung der allgemeinen Mundgesundheit.
Die Entwicklung protein- und polymer-basierter Biomaterialien eröffnet attraktive Anwendungsmöglichkeiten in der Medizintechnik, etwa in biokompatiblen Implantaten, für die Wundheilung, als Füllmaterialien für Zahnersatz, als orthopädische Hilfsmittel oder zur Verwendung als Trägersysteme für die gezielte Abgabe von Medikamenten. Auch für Kosmetik, Verpackungen oder die Lebensmittelindustrie ergeben sich große Potenziale. Die zielgerichtete Entwicklung erfordert ein umfassendes Materialverständnis, ebenso wie die Überprüfung der Funktionalität und Sicherheit der eingesetzten Werkstoffe, Komposite und Beschichtungen.
Die folgenden Technologien ermöglichen die Verarbeitung von Proteinen, Peptiden, Polysacchariden und biokompatiblen Polymeren zu zahlreichen Halbzeugen wie z.B. Nano- und Mikrofaservliesen, Schaumstoffen, Hydrogelen, Biotinten sowie zellbesiedelten und azellulären künstlichen Geweben und Organen.
Ein zentraler Aspekt unserer Forschung ist die Betrachtung der Grenzflächen und Wechselwirkungen zwischen unseren Materialien und lebendem Gewebe sowie Zellen. Mit anwendungsorientierten biologischen/biomimetischen Oberflächenfunktionalisierungen und Beschichtungen können diese Wechselwirkungen beeinflusst werden, z.B. durch gezielte Einstellung gewünschter Eigenschaften wie Hydrophilie/Hydrophobizität oder elektrostatischer Eigenschaften.
Unsere Kompetenz im Materialdesign wird durch umfassende abbildende, mechanische, biologische, physikalisch-chemische und individuell anwendungsorientierte Prüfmethoden ergänzt.
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.
Das Verständnis der Mikrostruktur von Materialien ist von entscheidender Bedeutung für die Weiterentwicklung von Innovationen. Unser umfassendes Leistungsspektrum bietet modernste Methoden und Technologien für die detaillierte Analyse biologischer Materialien und Materialien für medizinische Anwendungen.
Generell ist bei abbildenden Methoden eine bestmögliche Probenpräparation der Schlüssel zum Erfolg. Insbesondere bei biologischen Materialien ist vor der Mikrostrukturanalytik eine bedarfsgerechte Präparationsstrategie zu ermitteln. Folgende präparative Methoden stehen uns dafür zu Verfügung:
Die genaue Kenntnis von Materialstruktur, -eigenschaften und -verhalten ist ein entscheidender Hebel bei der Entwicklung verbesserter Zahnpflegeprodukte, von Zahnpasten und Zahnbürsten über Mundspülungen bis hin zu Füllungen und Prothesen. Das Fraunhofer IMWS nutzt seine exzellenten Kompetenzen zur Mikrostrukturanalyse, um bei der Produktentwicklung zu unterstützen, neue Methoden zur Wirksamkeitsuntersuchung zu etablieren und innovative Werkstoffe und Verfahren in die Anwendung zu bringen. Dies umfasst beispielsweise die Durchführung von chemischen und physikalischen Analysen zur Bewertung von Oral-Care-Produkten, gezielte Oberflächenbehandlungen sowie Untersuchungen der Verträglichkeit von Materialien im Mundraum.
Proteine in komplexen Proben zu identifizieren und Rückschlüsse auf ihr Zusammenspiel ziehen zu können, ist eine enorm wichtige Grundlage für viele zukunftsweisende Anwendungen in der Medizin, Biotechnologie oder Ernährungswissenschaft. Eine leistungsfähige Analytik ermöglicht beispielsweise die Identifikation von Biomarkern für medizinische Diagnosen und Prognosen oder die Entdeckung und Validierung von Zielstrukturen für neue Medikamente. Zudem bietet sie elementare Erkenntnisse etwa für Toxikologie, Qualitätskontrolle von Lebensmitteln und das Verständnis von biologischen Systemen.
Charakterisierung von Gewebe- oder Zellkulturproben von der Einzelzellanalyse bis hin zu kompletten Gewebelysaten für Diagnosen und Wirkstoffziel-Validierung
Präzise Analyse von Proteinen in tierischen und pflanzlichen Lebensmitteln, beispielsweise die Quantifizierung von bioaktiven Peptiden oder geschmacklich unerwünschten Di‑ und Tripeptiden
Präzise Analyse von extrazellulären Matrixproben, beispielsweise zur Identifizierung und Quantifizierung posttranslationaler Modifikationen in Elastin, die durch den Alterungsprozess entstehen
Detaillierte Analysen kanonischer und nicht-kanonischer post-translationaler Modifikationen, beispielsweise Advanced Gylcation Endproducts (AGEs) oder Fibrose assoziierte PTMs, um biochemische Signalwege und Entzündungsreaktionen genau zu verstehen
Sequenzierung von Antikörpern und unbekannten Proteinen, um neue Biomarker zu identifizieren und die molekulare Grundlage von Erkrankungen aufzudecken
Im Tissue Engineering werden Prinzipien der Biologie, Ingenieurwissenschaften und Materialwissenschaften kombiniert, um biologische Gewebe zu entwickeln. Diese lassen sich beispielsweise nutzen, um beschädigte oder fehlende Gewebe im Körper (wie Haut, Knorpel oder Herzgewebe) zu ersetzen oder zu regenerieren. Auch für die Wundheilung (Einsatz bioaktiver Materialien), die Transplantationsmedizin (weniger Abhängigkeit von Spenderorganen) oder die Medikamentenentwicklung (Einsatz künstlicher Gewebe zur Prüfung von Medikamenten) bietet dieser Ansatz neue Möglichkeiten. Am Fraunhofer IMWS werden dabei vor allem zellbasierte Testsysteme weiterentwickelt, einschließlich neuer Methoden zur Bestimmung biologischer Parameter.
Für die Untersuchung verschiedener biologischer Parameter von Proben bzw. Substanzen setzen wir unsere zellbasierten Testsysteme ein.
Beispielanwendungen:
Zur Durchführung stehen drei etablierte methodische Ansätze zur Verfügung, die entweder eine qualitative oder quantitative Bewertung der Zytotoxizität ermöglichen:
Je nach Fragestellung und Komplexität des Modells (2D vs. 3D) kommen unterschiedliche Zelltypen zum Einsatz – etwa Fibroblasten, Keratinozyten oder Endothelzellen – wobei bei 3D-Haut- und vaskulären Modellen besonders auf eine physiologisch relevante Zellarchitektur und Barrierefunktion geachtet wird.
Die Zytotoxizitätsprüfung kann auf drei verschiedene Arten durchgeführt werden:
1. Prüfung mittels Extrakten (Elutionsverfahren):
Das zu testende Material wird in ein Extraktionsmedium überführt, das anschließend auf das Zell- oder Gewebemodell appliziert wird. Diese Methode eignet sich besonders für lösliche oder migrierbare Substanzen und ist kompatibel mit 3D-Modellen.
2. Direkter Kontakt:
Das Testmaterial wird direkt auf die Zellkultur oder das Gewebemodell appliziert. Dies erlaubt eine Bewertung von mechanisch oder physikalisch bedingten Effekten, ist jedoch bei empfindlichen 3D-Strukturen nur eingeschränkt anwendbar.
3. Indirekter Kontakt (z. B. Agar-Overlay-Verfahren):
Eine physikalische Barriere (wie eine Agarose-Schicht) trennt Material und Zellen, erlaubt aber den Austausch diffundierbarer Substanzen. Dieses Verfahren bietet sich besonders für Materialien mit potenziell irritierendem Oberflächenkontakt an
Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS