Medizintechnik und Biotechnologie

Laser in Medizin und Biotechnologie eröffnen eine Vielzahl diagnostischer und therapeutischer Anwendungen. Insbesondere die Berührungsfreiheit der optischen Mess- und Bearbeitungsverfahren macht den Laser zum idealen Werkzeug unter den Randbedingungen eines sterilen und hochselektiven Einsatzes. Während sich ophthalmologische Laserverfahren wie LASIK am Markt weitgehend durchgesetzt haben, bieten mikrochirurgische Anwendungen noch viel Einsatzpotential. Das Fraunhofer ILT entwickelt hierzu neuartige Messmethoden auf der Basis optischer Kohärenz-Tomographie (OCT), mit denen chirurgische Eingriffe Mikrometergenau durchgeführt werden können.

Neben den diagnostischen und lasertherapeutischen Verfahren gewinnt das Gebiet des Tissue Engineering unter Nutzung lasertechnischer Verfahren zunehmend an Bedeutung. Von der Materialentwicklung über die Herstellung biokompatibler Strukturen und ihre Fertigung mit dem Laser bis hin zur geeigneten Prozessmesstechnik werden am Fraunhofer ILT alle Aspekte des Tissue Engineering betrachtet. Dies schließt auch den Umgang mit biologischem Material von klassischen Zelllinien bis hin zu Primärmaterial ein. Hierfür stehen geeignete Labore mit S1- und gegebenenfalls S2-Zertifizierung zur Verfügung. Auch in der Implantattechnik wächst der Bedarf an innovativen Lösungen. Auf Basis patientenspezifischer Daten können individuelle Zahnprothesen, künstliche Hüftgelenke und Knochenersatz bei Tumorbehandlungen per lasergestütztem 3D-Druck gefertigt werden.

Mit der Entwicklung einer immer stärker personalisierten Medizin ergeben sich neue Herausforderungen in Diagnose und Analytik. Licht als berührungsfreies Instrument bietet große Vorteile, sowohl in der Herstellung entsprechender Instrumente als auch in der Diagnostik selbst. Für erstere werden am Fraunhofer ILT verschiedene Lab-on-a-chip-Lösungen entwickelt, mit denen z. B. schnelle Multiplexdiagnosen möglich sind.

Präzise, mikrometergenaue Platzierung biologischer Stoffe mit dem LIFT-Verfahren

LIFT-Modul mit Raman-Spektrometer.
© Fraunhofer ILT, Aachen.
LIFT-Modul mit Raman-Spektrometer.

Die Herstellung biologischer Testsysteme ist oft durch die Viskosität der auf einem Analysechip aufzubringenden biologischen Stoffe limitiert. Bisherige Printtechniken erfordern stark wässrige Trägerflüssigkeiten und erlauben keine exakte Positionierung des Analyten. Mit dem am Fraunhofer ILT entwickelten LIFTSYS®-System ist durch »Laser Induced Forward Transfer« (LIFT) die präzise, mikrometergenaue Platzierung von kleinsten Mengen biologischer Stoffe und sogar einzelner lebender Zellen nahezu ohne Einschränkung möglich. Durch einen gepulsten Laserstrahl wird das anvisierte Probenmaterial durch einen Vorwärtsimpuls von einem Träger zu einem Empfänger übertragen. Das Verfahren kommt ohne Druckkopf aus und kann Biomaterialien wie RNS, DNS, Proteine und Zellen unabhängig von der Viskosität übertragen.

Ein breites Anwendungsgebiet ist die medizinische und pharmazeutische Forschung, in der die Reaktionen von Zellen auf Wirkstoffe untersucht und mikroskopische Interaktionen von Zellen reproduzierbar durchgeführt werden können. Darüber hinaus können Mikrostrukturen für Sensoren oder Gerüststrukturen künstlicher Organe hergestellt werden.

Laserosteotom für Wachoperationen in der Neurochirurgie

Applikator zur Umsetzung des Laserschneidprozesses am Schädelknochen.
© Fraunhofer ILT, Aachen.
Applikator zur Umsetzung des Laserschneidprozesses am Schädelknochen.

In der Neurochirurgie wurden in den letzten Jahren neuartige Therapiemethoden entwickelt, die die Lebensqualität und Überlebensrate schwerkranker Patienten deutlich verbessern. Diese Methoden setzen voraus, dass der Patient im Wachzustand operiert wird, da während der Operation komplexe Funktionen wie z. B. das Sprechen getestet werden müssen. Bei der Wachoperation stellt das Entfernen von Knochen am Schädel mit Bohrern und Fräsen einen extrem belastenden Schritt für den wachen Patienten dar. Daher wird am Fraunhofer ILT in enger Zusammenarbeit mit Experten der Neurochirurgie ein Laserosteotom entwickelt, mit dem der Schädelknochen vibrationsfrei und geräuscharm eröffnet werden kann, um die psychische Belastung sowie die Verletzungsgefahr für den Patienten deutlich zu reduzieren.

Für einen sicheren, vibrationsfreien und geräuscharmen Abtragprozess werden Bohrer und Fräse durch eine MIR-Laserstrahlquelle (mittleres Infrafrot) ersetzt, die Nanosekundenpulse mit Pulsenergien im Millijoule-Bereich emittiert. Synchron zum Schneidprozess ermittelt ein OCT-Messstrahl (optical coherence tomography) die lokale Schneidtiefe und Restdicke des Knochens, um den Schneidprozess so zu regeln, dass er kurz vor dem Durchtrennen des Knochens gestoppt wird. Die Schnitttiefenregelung schützt so die unter dem Schädelknochen liegenden Strukturen des Gehirns.

Anwendungsfelder für das Laserosteotom sind Wachoperationen zur Behandlung komplexer Bewegungsstörungen. Wachoperationen gewinnen zudem in der chirurgischen Therapie von niedergradigen Gliomen (Hirntumore) zunehmend an Bedeutung.

Das Projekt wird von der Fraunhofer-Gesellschaft im Rahmen des Forschungsprogramms ATTRACT unter dem Projektnamen STELLA gefördert.

Projekte mit Beteilung des Fraunhofer ILT

Strategische
Fraunhofer Projekte

Eine Auswahl von strategischen Projekten mit Beteiligung des Fraunhofer ILT finden Sie auf unserer Cluster-Webseite.

Laufende
Verbundprojekte

Hier finden Sie eine Auswahl von aktuellen Verbundprojekten mit Beteiligung des Fraunhofer ILT.

Abgeschlossene
Verbundprojekte

Hier finden Sie eine Auswahl von abgeschlossenen Verbundprojekten mit Beteiligung des Fraunhofer ILT.

Jahresberichte

In unseren aktuellen Jahresberichtsbeiträgen finden Sie weitere Projektergebnisse.

Ansprechpartner für Projektanfragen

Dr. Achim Lenenbach (komissarisch)

»Messtechnik und EUV-Strahlquellen« 

 

Telefon +49 241 8906-124
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Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann

»Laser und Laseroptik« 

 

Telefon +49 241 8906-206
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Prof. Arnold Gillner

»Abtragen und Fügen« 

 

Telefon +49 241 8906-148
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Jasmin Saewe M.Sc.

»Laser Powder Bed Fusion« 

 

Telefon +49 241 8906-135
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Dr. Thomas Schopphoven

»Laserauftrag­schweißen« 

 

Telefon +49 241 8906-8107
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Dr. Jochen Stollenwerk (kommissarisch)

»Funktionale Schichten und Oberflächen« 

 

Telefon +49 241 8906-411
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