Zum Inhalt springen

Bioaktive Oberflächen

Das INP besitzt langjährige Erfahrung in der Entwicklung plasma-gestützter Prozesse zur Veredelung von Produkteoberflächen im Life Science Bereich. Das Anwendungsspektrum derartiger Oberflächen umfasst den kompletten Bereich der Gefäßersatz- und lasttragenden Implantate, aber auch Einmalartikel wie Zellkulturschalen, Pipettenspitzen oder Hochdurchsatz-Screeningsysteme als auch komplette Infusionssysteme inklusive der Veredelung von Ventilen, Zuleitungen und Kathetern. Ein weiterer Fokus liegt auf der Modifizierung von Oberflächen zur Immobilisierung von Enzymen, Bakterien oder Zellen für biokatalytische Systeme und Fermenter. Um für jede Anwendung die optimale Lösung zu finden, bietet das INP ein breites Spektrum an funktionellen Oberflächen zur Verwendung in folgenden Gebieten:

  • Verbesserung der Zelladhärenz
  • Antiadhäsive Oberflächen
  • Mikrostrukturiertes Zellwachstum
  • Antimikrobielle Oberflächen
  • Optimierte Oberflächen zur Immobilisierung von Enzymen
  • Photokatalytische Oberflächen  

Da die Prozesskosten und die einfache Integration von Plasmaprozessen in bestehende Produktionslinien besonders im industriellem Einsatz von hoher Bedeutung sind, bietet das INP sowohl Prozesse im Niederdruck für höchste Reinheit als auch bei Atmosphärendruck für kurze Prozesszeiten an.


Anwendungsfelder

Photokatalytische Oberflächen zeichnen sich durch eine Lage aus Metalloxid, meist TiO2, aus, welche durch Bestrahlung im UV- oder sichtbaren Wellenlängenbereich aktiviert wird. So entstehen u.a. in Kombination mit einem natürlicherweise vorliegenden dünnen Wasserfilm bspw. OH-Radikale, die dann mit Zellen, Mikroorganismen, Fetten und anderen Flüssigkeiten wechselwirken. In Kombination mit einer idealen Benetzbarkeit der Oberfläche wird daher auch oft von selbstreinigenden oder auch easy-to-clean Oberflächen gesprochen.

Besonders für Implantate sind solche Oberflächen von Vorteil. TiO2 ist als Material für medizinische Implantate zugelassen, so dass im Hinblick auf die Zulassung eines derart veredelten Implantates zum Medizinprodukt keine großen Hürden zu nehmen sind. Unsere Schichtsysteme zeichnen sich durch folgende Vorteile aus:

  • Superhydrophil, sehr gute Benetzung mit Blut und anderen humanen Seren
  • Erhöhte Zellvitalität um mehr als 40%
  • Abnahme der mikrobiellen Proliferation um 50%, selbst bei Mischkulturen
  • Exzellente Haftfestigkeit, Güteklasse 0 Gitterschnitttest
  • Gezielte Dotierung für kombinative Effekte wie bspw. extreme Härte, deutlich verstärkte antimikrobielle Wirkung
bao_04.jpg
Saos-2 Knochen-Epithelzellen auf einer Referenzprobe
bao_05.jpg
auf aktiviertem TiO2

Für eine Vielzahl von Anwendungen ist es wichtig, dass Proteine an Oberflächen immobilisiert werden. Ob ein Protein, das auf einer Oberfläche verankert wird, seine natürliche Aktivität zeigt, hängt stark von der Art der Verankerung ab. So werden Linker und Spacer zur kovalenten Ankopplung von Proteinen an Oberflächen eingesetzt. Entscheidend ist dabei, dass das Protein seine natürliche Aktivität beibehält.

Enzyme sind zwar z.T. sehr spezifisch und selektiv, erfüllen aber in vielen Fällen nicht die in industriellen Anwendungen geforderten Prozessstabilitäten. Zur Verbesserung der Stabilität kann durch plasmagestützte Oberflächenmodifizierung des Trägermaterials das Enzym oder der Biokatalysator immobilisiert und die Ausbeute gesteigert werden.

Zur Reinigung von Körperflüssigkeiten erfolgt in Blutplasmafiltern der Stoffaustausch über Membrane. Toxische Biomoleküle, wie bspw. Endotoxine, lassen sich durch die Plasmabehandlungen von Membranoberflächen ankoppeln. Die plasmabehandelten Membranen bewirken im Vergleich zur Kontrolle (unbehandelte Membran) eine deutliche Reduzierung der Endotoxinkonzentration in der Lösung.

  • Durch Plasmabehandlung erhöht sich die Benetzbarkeit der porösen Materialstruktur, so dass die wässrige Enzymlösung gut eindringen kann
  • Enzymaktivität gegenüber unbehandeltem Trägermaterial um Faktor 40 gestiegen
  • Erhöhte Stabilität adsorptiv gebundener Enzyme in wasserfreier Umgebung
  • Wiederverwendbarkeit der auf plasmamodifizierten Trägern immobilisierten Enzyme, z.T. ohne signifikanten Aktivitätsverlust in mehreren Zyklen
  • Weitere Möglichkeiten durch den Einsatz von Linker und Spacer
  • Signifikante Erhöhung der Bindungsfähigkeit von Proteinen (Für Endotoxine um 30% erhöht)

Mikrofluidische Systeme sind für die Bioanalytik von großer Bedeutung und integrieren Analysenfunktionen wie Probenaufgabe, chemische und biochemische Reaktion und Detektion auf einem Chip. Mit Hilfe von Plasmen und Masken lassen sich auf einer Vielzahl von Materialien gezielt chemisch unterschiedliche Mikrostrukturen erzeugen. Durch Mehr-Schritt-Plasmaprozesssequenzen lässt sich auf der Oberfläche eine Kombination aus zellanziehenden und zellabweisende Bereichen erzeugen.

Anwendungen: gewebeartige Zellkultursysteme, neuronale Netze, bioartifizielle Organe, DNA- und Protein-Biochips, Implantate, Biosensoren, Arzneimittelscreening

  • Maskierungen und damit erzeugte Wachstumsstrukturen sind variabel
  • Langzeitstabile plasmachemische Funktionalisierungen und Beschichtungen mit sehr guter Haftung auf einer Vielzahl von Oberflächen
  • Zellwachstum lokal erhöht oder unterdrückt
  • Erzeugung lokaler Funktionalitäten mit Strukturdimensionen ab 30 µm
  • Für verschiedene Zelllinien erfolgreich gezeigt (z.B. HEK Zellen, Keratinozyten, menschliche Nabelschnurendothelzellen/ Fibroblasten und Mausfibroblasten)
bao_06.jpg
3T3-Zellen (Mausfibroblasten) auf maskiertem aminofunktionalisierten Kunststoff
bao_07.jpg
3T3-Zellen (Mausfibroblasten) auf maskiertem aminofunktionalisierten Kunststoff
bao_08.jpg
3T3-Zellen nach 2 tägiger Kultivierung
bao_09.jpg
Plasmagestützte Erzeugung einer chemischen Dreifachstruktur – Nachweis mit XPS-Imaging (N1s)

Keramische Oberflächen werden häufig im technischen sowie im biomedizinischen Bereich eingesetzt. Die bereits etablierte Methode Plasmasprühen erlaubt im Vergleich zu konventionellen Verfahren die Erzeugung und Entwicklung einzigartiger Beschichtungen mit maßgeschneiderten, multiplen Eigenschaften. Als Grundstoff werden Pulver verwendet, die mittels Plasmas (teilweise) aufgeschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit auf das Produkt geschossen werden. Die Einzigartigkeit des Verfahrens liegt in den nahezu beliebigen Kombinationsmöglichkeiten und Mischungen der Pulver (Metalle, Gläser, Keramiken, Polymere uvm.) und der hohen Materialabscheidungsrate bzw. Schichtdicke. Weiterhin zeichnen sich die Beschichtungen durch eine sehr hohe Haftung und, je nach Materialkombination, in einer einzigartigen Härte aus. Im biomedizinischen Bereich sind Beschichtungen mit TiO2, CaP, CaCO3, Kupfer, Silber, ZnO und deren Mischungen die Kernkompetenz des INP. Das Spektrum wird aber auch stetig mittels neuer Ideen und Beschichtungsprozesse erweitert. Bei der im INP eingesetzten Anlange handelt es sich um eine Industrieanalage mit einer sehr verbreiteten Plasmaquelle. Dies hat den Vorteil, dass hiermit entwickelte Schichten und Schichtsysteme ohne Prozessaufskalierung vom Kunden 1:1 übernommen bzw. bei etablierten Lohnbeschichtern beauftragt werden können.

Wir können folgende Schichten erstellen:

  • CaP/HAp (weich, knochenähnliche Substanz, schnelles Einwachsen in den Knochen bei Implantaten, inkl. Zumischung von Wirkstoffen oder Bioziden)
  • YSZ (Farbe: weiß – kosmetischer Effekt bei Zahnimplantaten; hart und verschleißarm, z.B.: bei Zahnimplantaten, auf Turbinenschaufeln, Walzenlager …)
  • Cu (bietet vor allem bei Implantatoberflächen zusätzlich anti-mikrobielle Eigenschaften)
  • TiO2 (harte Schicht, gutes Einwachsverhalten bei Implantaten, leicht antimikrobieller Effekt, einfache Zulassung)
  • Al2O3 (Farbe: weiß – kosmetischer Effekt; harte Schicht, verschleißbeständig, sehr hohe chemische Beständigkeit)

Unsere Spezialität:

  • Entwicklung neuer Schichten sowie Multilayer- und Multimaterial-Schichtsysteme (z.B. Keramik/Metall, Keramik/Polymer, Metall/Polymer)
  • Resorbierbare Oberflächen (Implantate)
  • Implantate mit/ohne anti-mikrobieller Wirkung
  • Optimierung bestehender Verfahren hinsichtlich Prozess- und Kosteneffizienz
  • 3D-Anpassung an verschiedenste Substrate und Produkte

Vorteile:

  • Schneller Prozess
  • Hohe Beschichtungsraten
  • Kein Aufschmelzen des Substrates
  • Hohe Haftfestigkeit
  • Anwendungsbereiche sind kombinierbar
bao_02.jpg
Plasmaspraying eines Hüftstiels mit TiO2
bao_03.jpg
YSZ-Zahnimplantate einmal unbehandelt und einmal mit TiO2 beschichtet
bao_01.jpg
antimikrobielle HAp/Cu Oberfläche


Projekte

In der modernen lebensmittelverarbeitenden Industrie stellen Krankheitserreger, die über Lebensmittelrückstände in Produktions- oder Verarbeitungsmaschinen in die Nahrung gelangen, ein erhebliches Problem dar. Zu den gefährlichsten Erregern zählen u.a. Salmonellen, Noroviren oder Listerien. Diese Mikroben können diverse Krankheiten zur Folge haben, die im Extremfall für den Menschen auch tödlich enden können. Die Reinigung der Anlagen in der Lebensmittelindustrie erfordert daher einen hohen Einsatz an Zeit und finanziellen Mitteln. Erschwerend kommt hinzu, dass viele der eingesetzten Reinigungsmittel sehr aggressiv sind und die Materialien der Produktionsanlagen angreifen. Das Ziel dieses F&E Projektes ist es deshalb, die chemische Reinigung von Transportbändern in der Lebensmittelbranche durch eine umweltfreundliche in-line Desinfektion und Beschichtung der Oberflächen zu erweitern und teilweise sogar zu ersetzen. Dabei sollen die Oberflächen der Transportbänder getrocknet, desinfiziert, konditioniert und mittels antibakterieller Schichten vor Neuverkeimung geschützt werden. Um dies zu erreichen, werden entsprechende Prozesse entwickelt, ein speziell auf die Prozesse abgestimmtes Transportband sowie ein in-line Modul zur Integration in neue und bestehende Transportbandanlagen.

Projektleiter:
Dr. Maik Fröhlich
Tel.: +49 3834 - 554 3900
maik.froehlichinp-greifswaldde

Weit über tausend Forschungslabore weltweit beschäftigen sich damit, Nervenzellen aus dem Gehirn und anderen Geweben mit elektrophysiologischen Methoden zu untersuchen. Um die Funktion einzelner Zellbausteine darzulegen, ist es sinnvoll, die Nervenzellen voneinander isoliert in einer Nährlösung im Brutschrank zu kultivieren. Auf diese Weise ist es möglich, dass jeweils nur eine Zelle auf einen einzelnen Stimulus antwortet ohne Störsignale von Tausenden weiteren Nervenzellen. Etabliert ist das Verfahren der sogenannten autaptischen Zellkultur. Die Nervenzellen werden dabei separiert, in dem nur an bestimmten Bereichen des Glasbodens der Kulturschale Zellen haften können, zumeist runde Flecken („Inseln“) mit ca. 200 µm Durchmesser. In diesem Projekt werden mit Hilfe von Plasmapolymerbschichtungen Zellträger für die autaptische Zellkultur entwickelt und optimiert.

Projektleiterin:
Dr. Katja Fricke
Tel.: +49 3834 - 554 3841
k.frickeinp-greifswaldde

Bei Dauerkatheterpatienten besteht ein hohes Risiko von Harnwegsinfektionen, die aktuell ausschließlich medikamentös behandelt werden können. Dies resultiert neben der Ausbildung von Resistenzen bei den zu behandelnden Mikroorganismen auch in den bekannten Wechsel- /Nebenwirkungen für den Patienten sowie zusätzlichen Behandlungskosten für die Kliniken/ Praxen. Mit plasmaunterstützten Verfahren ist es möglich, antimikrobielle Oberflächen auch auf Medizinprodukten zu erzeugen; diese stellen daher eine vielversprechende Möglichkeit für die Veredelung von Medizinprodukten, insbesondere auch für die materialschonende Behandlung von Kunststoffen zur Anwendung im Urinal-Trakt da. Das Projekt Plaskat beschäftigt sich mit Möglichkeiten zur Realisierung derartige plasmabasierten Oberflächenveredelungen z.B. für die Reduktion der Infektionsrate/ Inkrustationsrate und damit verbunden eine längere Liegezeit im Vergleich zu Standardprodukten. Neben der Erarbeitung eines Plasmaprozesses zur Modifikation der Kunststoff-Medizinprodukte sind die Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften z.B. mit Röntgen-Phototelektron-Spektroskopie (XPS), über die Bestimmung der Freisetzungscharakteristik der Wirkstoffe und die antimikrobielle Testung der Prüfkörper wichtige Arbeiten im Projekt.

Projektleiter:
Dr. Frank Hempel
Tel.: +49 3834 - 554 3857
hempelinp-greifswaldde


Publikationen

Hempel, F.; Steffen, H.; Busse, B.; Finke, B.; Nebe, J.-B.; Quade, A.; Rebl, H.; Bergemann, C.; Weltmann, K.-D.; Schröder, K.:
On the Application of Gas Discharge Plasmas for the Immobilization of Bioactive Molecules for Biomedical and Bioengineering Applications "Biomedical Engineering - Frontiers and Challenges",
ISBN: 978-953-307-309-5, InTech, August 8, 2011 - edited by Reza, F.-R. 

Hempel, F.; Finke, B.; Zietz, C.; Bader, R.; Weltmann, K.-D.; Polak, M.:
"Antimicrobial surface modification of titanium substrates by means of plasma immersion ion implantation and deposition of copper", Surf. Coat. Technol.

Finke, B.; Polak, M.; Hempel, F.; Rebl, H.; Zietz, C.; Stranak, V.; Lukowski, G.; Hippler, R.; Bader, R.; Nebe, J.-B.; Weltmann, K.-D.; Schröder, K.: 
"Antimicrobial potential of copper-containing titanium surfaces generated by ion implantation and dual high power impulse magnetron sputtering", Adv. Eng. Mat. 14 (2012), B224-B230  

Finke, B.; Testrich, H.; Rebl, H.; Walschus, U.; Schlosser, M.; Zietz, C.; Staehlke, S.; Nebe, J.-B.; Weltmann, K.-D.; Meichsner, J.; Polak, M.:
Plasma-deposited fluorocarbon polymer films on titanium for preventing cell adhesion: a surface finishing for temporarily used orthopaedic implants,
DOI: 10.1088/0022-3727/49/23/234002, J. Phys. D: Appl. Phys. 49 (2016), p. 234002   

Kredl, J.; Kolb, J.-F.; Schnabel, U.; Polak, M.; Weltmann, K.-D.; Fricke, K.:
Deposition of Antimicrobial Copper-Rich Coatings on Polymers by Atmospheric Pressure Jet Plasmas
DOI: 10.3390/ma9040274, Materials 9 (2016), p. 274

Fricke, K.; Girard-Lauriault, P.-L.; Weltmann, K.-D.; Wertheimer, M.-R.:
Plasma polymers deposited in atmospheric pressure dielectric barrier discharges: Influence of process parameters on film properties, DOI: 10.1016/j.tsf.2016.01.057, Thin Solid Films 603 (2016), p. 119-125  

Polak, M.; Ihrke, R.; Quade, A.; Hempel, F.; Fröhlich, M.; Weltmann, K.-D.:
Plasmapolieren - Reinigung, Entfettung, Entgratung und Hochglanzpolitur in einem Prozessschritt,
ISBN: 978-3-87480-292-5, Jahrbuch Oberflächentechnik, Bad Saulgau: Leuze (2015)

Finke, B.; Rebl, H.; Hempel, F.; Schäfer, J.; Liefeith, K.; Weltmann, K.-D.; Nebe, J.-B.:
Aging of Plasma-Polymerized Allylamine Nanofilms and the Maintenance of Their Cell Adhesion Capacity,
DOI: 10.1021/la5019778, Langmuir 30 (2014), p. 13914-13924

Quade, A.; Ihrke, R.; Kellner, U.; Bergemann, C.; Schröder, K.:
Stimulierung des Zellwachstums in dreidimensionalen Stützgerüsten durch plasmagestützte Oberflächenveredelungen Knöcherne Geweberegeneration, ISBN: 978-3-8440-3049-5, Aachen: Shaker-Verl. (2014) 

Finke, B.; Testrich, H.; Rebl, H.; Nebe, B.; Bader, R.; Walschus, U.; Schlosser, M.; Weltmann, K.-D.; Meichsner, J.:
Anti-adhesive finishing of temporary implant surfaces by a plasma-fluorocarbon-polymer,
Mat. Sci. Forum 783-786 (2014), p. 1238-1243  

Fricke, K.; Duske, K.; Quade, A.; Nebe, B.; Schröder, K.; Weltmann, K.-D.; v. Woedtke, Th.:
Comparison of Nonthermal Plasma Processes on the Surface Properties of Polystyrene and Their Impact on Cell Growth,
IEEE Trans. Plasma Sci. 40 (2012), p. 2970-2979

Kontakt

Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V.
Felix-Hausdorff-Str. 2
17489 Greifswald

Dr. Katja Fricke
Forschungsschwerpunktleiterin Bioaktive Oberflächen

Tel.: +49 3834 - 554 3841
Fax: +49 3834 - 554 301

k.frickeinp-greifswaldde
www.leibniz-inp.de

fricke.jpg
fricke.jpg