Intelligente Oberflächen
Forschungsaktivitäten Krastev-Lab
Die Forschungsgruppe Intelligente Oberflächen entwickelt und untersucht neue Oberflächenmodifikationen (Beschichtungen) von Materialien für Anwendungen in der Medizintechnik, wie beispielsweise immunsuppressive Beschichtungen für kardiovaskuläre Anwendungen, kontrollierte Immobilisierung von Mikroorganismen für angewandte Biotechnologien und schützende antibakterielle Beschichtungen. Basierend auf den Erfahrungen aus früheren Projekten werden neue Oberflächenmodifikationen für verschiedene Anwendungen entwickelt.
Ein zweites großes Forschungsthema der Gruppe ist die Entwicklung innovativer schaumstoffbasierter Materialien für den Leichtbau in der Luft- und Raumfahrttechnik.
Forschungsprojekte
Beschichtungen für additiv gefertigte medizinische Implantate zur besseren Biokompatibilität
Bis zu 80 % der derzeit auf dem Markt befindlichen medizinischen Geräte verfügen über mindestens eine Art von Beschichtung oder Oberflächenbehandlung. Eine Beschichtung auf der Oberfläche eines medizinischen Geräts verbessert dessen Funktionalität und Biokompatibilität, indem sie die Wechselwirkungen zwischen der Implantatoberfläche und biologischen Flüssigkeiten sowie Gewebe beeinflusst. Eigenschaften wie Oberflächenenergie, Rauheit, Morphologie, Steifigkeit und Benetzbarkeit spielen eine entscheidende Rolle für die Biokompatibilität von Materialien. Diese Merkmale beeinflussen die Proteinadsorption, die unmittelbar nach der Implantation im Körper erfolgt, sowie die anschließende Zelladhäsion und das Gewebewachstum.
Da die Oberflächen von additiv gefertigten Materialien sehr unterschiedlich ausfallen, ist es entscheidend, Beschichtungen zu verwenden, die eine physikalische und chemische Homogenität der Oberfläche sicherstellen und so die Biokompatibilität verbessern. Im Rahmen der DFG-Forschungsgruppe FOR5250 untersuchen wir, wie sich die biomedizinischen Eigenschaften von additiv gefertigten Titanmaterialien, die für den Einsatz als Zahnimplantate vorgesehen sind, durch ultradünne Polyelektrolyt-Mehrschichtbeschichtungen (PEM) verbessern lassen.
PEMs sind extrem dünne organische Filme, die durch das abwechselnde selbstorganisierte Auftragen von Monoschichten aus Polyanionen und Polyaktionen aus Lösungen gebildet werden. Wir haben uns für PEMs entschieden, weil sie eine präzise und kontrollierte Modifikation der Oberflächeneigenschaften ermöglichen, ohne die Mikrostruktur oder die grundlegenden Materialeigenschaften zu verändern. Obwohl sie nur etwa 20 nm dick sind, können diese Beschichtungen die Oberflächeneigenschaften von Biomaterialien gezielt beeinflussen und so deren Integration in das Gewebe nach der Implantation verbessern.
Dieses Projekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG).
Im Rahmen dieses Projektes werden funktionelle Beschichtungen auf Basis von Polyelektrolyt-Multischichten (PEM) für die Anwendung auf Implantatmaterialien entwickelt. Die funktionelle Beschichtung soll die Immunantwort reduzieren und das Risiko einer Restenose (Gefäßverengung) bei der Anwendung auf Stentmaterialien verringern. Durch kontrollierte Oberflächeneigenschaften der PEM-Beschichtungen, wie z.B. Nano-Steifigkeit, Nano-Rauheit, viskoelastische Eigenschaften und Oberflächenenergie, können Materialien maskiert und die Reaktion von Zellen bei Kontakt mit dem Implantat verbessert werden. Durch die Konstruktion dieser definierten Parameter auf der Oberfläche kann das Risiko einer Restenose reduziert werden, gleichzeitig erhöht die Verwendung von medikamentenfreien Beschichtungen nicht das Risiko einer In-Stent-Thrombose (wie es bei medikamentenbeschichteten Stents der Fall ist). Dieses Projekt wird vom Land Baden-Württemberg finanziert.
Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer neuen degradierbaren Polymerbeschichtung auf magnesiumbasierten Stents zur Verbesserung der Wechselwirkungen mit biologischen Systemen. Die Beschichtung ermöglicht die kontrollierte Verlangsamung des Abbauprozesses der Magnesiummaterialien und reduziert somit die sprunghafte Freisetzung von heilungsstörenden Abbauprodukten. Darüber hinaus verbessert die Beschichtung die Zell-Oberflächen-Interaktionen und ermöglicht die Endothelialisierung. Die vorteilhaften Eigenschaften der Oberflächenmodifikation wirken sich auf die Lebensdauer des Magnesiumstents aus, danach degradiert die Beschichtung zeitgleich mit dem Stent. Dieses Projekt wird finanziell unterstützt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung.
Toxische Mikroorganismen können durch konventionelle Oberflächenbeschichtung von Implantatmaterialien abgetötet werden. Ihre Abbauprodukte werden jedoch weder entfernt noch vom heilenden Gewebe getrennt. Ein aktuelles Problem in der Medizintechnik ist, dass diese Abbauprodukte schwere Infektionen und Entzündungsreaktionen des umliegenden Gewebes verursachen können. Als Lösung wird im Rahmen dieses Projektes eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die neben der antibakteriellen Eigenschaft auch die Eigenschaft besitzt, freigesetzte Abbauprodukte durch den Aufbau von räumlich getrennten antibakteriellen Kompartimenten abzufangen (entwickelt vom MPI IS, Stuttgart). Dieses Projekt wird finanziell unterstützt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung.
Das Projekt InSeL ("Innovative Schaumstrukturen für effizienten Leichtbau") wird in Höhe von 1,5 Millionen Euro zu 50 % vom Land Baden-Württemberg über das ZAFH Programm (Zentren für angewandte Forschung) finanziert und zu 50 % von der EU im Rahmen des EFRE Programms (Europäischer Fonds für regionale Entwicklung) mitfinanziert. Die Forschungsgruppe Intelligente Oberflächen entwickelt in Kooperation mit der Hochschule Pforzheim, dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und dem NMI Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institut der Universität Tübingen innovative Leichtbauwerkstoffe auf Basis metallischer Schäume für Anwendungen in der Medizin-, Maschinen-, Automobil- und Luftfahrttechnik. Schäume mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie z.B. Blasengröße, -verteilung und Lamellendicke, werden für die spätere Umsetzung in metallische Strukturen mit optimalen Trageigenschaften durch die Natur der Schaumstruktur entwickelt.
Presseberichte
Die Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG) fördert das Implantat-Projekt, an dem neben der Hochschule Reutlingen deutschlandweit Forschungsgruppen mehrerer Universitäten und Kliniken beteiligt sind.
Aus stabilen Schaumstrukturen auf Basis der Flüssigschäume lassen sich stabile Polymerschaum-Templates entwickeln.
Erste Ergebnisse des Projekts „InSel“ – Innovative Schaumstrukturen für effizienten Leichtbau vorgestellt.
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