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.

Lasergefertigte individualisierte Wirbelimplantate

Additiv hergestellter Cage aus Ti6Al4.
© Fraunhofer ILT, Aachen.

Additiv hergestellter Cage aus Ti6Al4.

Im klinischen Alltag eingesetzte, standardisierte Implantate können dank der Fertigungsmöglichkeiten der Lasertechnik durch patientenspezifische Versionen ersetzt werden. Das Fraunhofer ILT entwickelt zusammen mit Medizinern additiv gefertigte Wirbelkörperimplantate, die hinsichtlich ihrer Geometrie, Steifigkeit und Struktur individuell ausgelegt und lokal lastangepasst sind. Damit kann etwa das Implantatversagen von Cages – also Einsätze für den Zwischenwirbelraum nach operativem Entfernen von Bandscheiben – signifikant reduziert werden. In Kooperation mit dem Lehrstuhl für Digitale Additive Produktion DAP der RWTH Aachen University wird im Rahmen des BMBF-geförderten Projekts »EITPSI« ein Verfahren zur Erzeugung von Implantaten entwickelt, die formschlüssig mit Oberflächentopographien von Knochen verankert und  besser an das Einwachsverhalten des Knochengewebes angepasst sind. Mit dem Selective Laser Melting (SLM), auch bekannt als Laserstrahlschmelzen oder Laser-Powder Bed Fusion (L-PBF), wird hierzu eine lokal angepasste Gitterstruktur gefertigt, die individuelle Steifigkeiten der angrenzenden Wirbel und deren Knochendichten berücksichtigt. Das Verfahren kann prinzipiell für die Herstellung aller Implantate ausgeweitet werden, die im Körper mit Knochen fusionieren sollen.

Präzise, mikrometergenaue Platzierung biologischer Stoffe mit dem LIFT-Verfahren

Laser-Induced Forward Transfer (LIFT) heißt das Verfahren, bei dem eine hauchdünne Titanschicht auf einem Träger mit einem Laser verdampft wird.
© Fraunhofer ILT, Aachen.

Laser-Induced Forward Transfer (LIFT) heißt das Verfahren, bei dem eine hauchdünne Titanschicht auf einem Träger mit einem Laser verdampft wird.

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.

Projektergebnisse 2017 (Auswahl)

Projektergebnisse 2016 (Auswahl)

Hier finden Sie eine Auswahl laufender Verbundprojekte

»futureAM«

Next Generation Additive Manufacturing

»ProImplant«

Prozesskette zur Fertigung degradierbarer Magnesiumimplantate für individuelle Knochendefekte

Ansprechpartner für Projektanfragen

Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann

»Laser und Laseroptik« 

 

Telefon +49 241 8906-206
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Dr.-Ing. Arnold Gillner

»Abtragen und Fügen« 

 

Telefon +49 241 8906-148
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Prof. Dr.-Ing. Johannes Henrich Schleifenbaum

»Generative Verfahren und funktionale Schichten« 

 

Telefon +49 241 8906-398
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Prof. Dr. rer. nat. Reinhard Noll

»Messtechnik und EUV-Strahlquellen« 

 

Telefon +49 241 8906-138
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