PhotonControl

Erforschung der photonischen Verfahren RAMAN und OCT als nicht invasive und markerfreie Inprozesskontrolle von 3D-gedruckten bioabbaubaren Polyestern und Hydrogelen (PhotonControl)

Ersatz für zerstörtes Gewebe aus dem 3D-Drucker

Sogenannte generative Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck gewinnen rapide an Bedeutung für die Herstellung von Bauteilen, insbesondere für die Fertigung kleiner Stückzahlen und komplexer Geometrien. Diese Technologie hält auch verstärkt Einzug in die Herstellung von individualisierten Orthesen und Implantaten, momentan noch vor allem für dentale und skelettale Anwendungen. Über die reine Herstellung von zellfreien Bauteilen und Implantaten hinaus ergeben sich vielfältige neue Möglichkeiten in der Gewebezüchtung und der regenerativen Medizin.

In klassischen Verfahren der Gewebezüchtung werden 3D-Gerüste mit Zellen besiedelt, um daraus Ersatz für irreparabel geschädigtes Gewebe reifen zu lassen. Die Besiedelung erfolgt dabei ohne Kontrolle der räumlichen Anordnung der Zellen innerhalb des Gerüstes. In der sog. Biofabrikation werden mittels 3D-Drucktechniken aus Zellen und Gerüstmaterialien zusammen Strukturen erzeugt, die dem natürlichen Gewebe im Aufbau nachgeahmt sind. Dadurch soll eine schnellere und bessere Ausbildung von funktionalem menschlichem Gewebe erreicht werden.

Die Biofabrikation steckt als Forschungsfeld aber noch in den Kinderschuhen. Dem hohen Potenzial hinsichtlich des 3D-Druckes von Geweben und Organen und ersten Erfolgen mit einfachen Strukturen stehen grundlegende Probleme wie z.B. eine geringe Zahl 3D-Druck-geeigneter zellfreundlicher Materialien gegenüber. Daneben fehlt es derzeit an Methoden zur Charakterisierung der Strukturen sowohl direkt während des Drucks als auch während der Gewebereifung.

Qualitätskontrolle für künstliche Gewebeimplantate mit optischen Methoden

Neben der Suche nach biokompatiblen, 3D-druckbaren Materialien für immer feinere Strukturen ist die Qualitätskontrolle während des Druckprozesses eine große Herausforderung. Diese Messungen müssen dabei zerstörungs- und markerfrei, d.h. ohne Verwendung chemischer Farbstoffe erfolgen, damit die Gewebeimplantate noch für eine spätere Transplantation in den Patienten geeignet sind. Die Hauptanforderungen sind nicht primär kurze Messzeiten oder hohe Auflösung, sondern die Erfassung relevanter struktureller (z.B. mechanische Festigkeit der gedruckten Struktur) und (bio-)chemischer Informationen (z.B. Zellvitalität).

Hierfür eignen sich die optische Kohärenztomographie (OCT) und die Raman-Spektroskopie (RAMAN). Beide Verfahren sind markerfrei und nicht invasiv, d.h. sie schädigen das Gewebe nicht. In ihren Eigenschaften sind sie komplementär: OCT ermöglicht eine strukturelle Bildgebung in Echtzeit und kann mechanische Eigenschaften quantitativ messen; RAMAN liefert molekulare Informationen zur (bio-)chemischen Charakterisierung dreidimensionaler Gewebestrukturen. Ziel des Projekts PhotonControl ist daher die grundlegende Erforschung der Kombination der optischen Verfahren OCT und RAMAN zur Inprozesskontrolle beim 3D-Druck von Gewebemodellen und -implantaten.

Ansprechpartner

Dr.Thomas Sandrock
+49 211 6214-443

Projektdetails

Koordinator

Prof. Dr.Jürgen Groll
Universitätsklinikum Würzburg - Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde
Pleicherwall 2, 97070Würzburg
+49 931 201-73510

Projektvolumen

ca. 240.000 € (Förderquote 100%)

Projektdauer

01.05.2017 - 31.10.2019

Projektpartner

Universitätsklinikum Würzburg - Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Medizin und der ZahnheilkundeWürzburg