Fraunhofer-Leitprojekt »Theranostische Implantate«

Zulassungsrelevante Entwicklung von Schlüsseltechnologien für die Medizin

Im Fraunhofer-Leitprojekt »Theranostische Implantate« haben sich zwölf Fraunhofer-Institute unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT zusammengeschlossen, um intelligente Implantate zu entwickeln. Bislang gibt es vor allem rein passive Implantate, zu denen zum Beispiel Knochenplatten zählen. Intelligente »Theranostische Implantate« gewinnen zunehmend an Bedeutung, denn diese vereinen Diagnostik und Therapie in einem medizintechnischen Produkt.

Theranostische Implantate sind komplexe, multifunktionale implantierbare Medizinprodukte, die in einem medizintechnischen System Diagnostik und Therapie vereinen. Die Erfassung spezifischer Vitalparameter bildet die diagnostische Grundlage für die jeweils eingeleitete therapeutische Maßnahme, deren Wirksamkeit in einem geschlossenen Regelkreis optimiert wird.

 

Aufgrund ihrer vielfältigen Applikationsmöglichkeiten, den ständig steigenden Anforderungen an die Qualität einer hochspezialisierten medizinischen Betreuung und der demografischen Entwicklung nimmt ihre Bedeutung derzeit außerordentlich zu. Damit haben die Theranostischen Implantate eine gesamtgesellschaftliche Relevanz erlangt, die im Kontext zukünftiger technologischer Möglichkeiten zu einem Innovationssprung in der Medizintechnik führen wird.

Derartige Sprunginnovationen resultieren aus dem Zusammenspiel mehrerer Technologien auf hohem Niveau, zu denen einzelne Fraunhofer-Institute schon heute maßgebliche Beiträge leisten. Durch die Bündelung dieser Aktivitäten kann die Fraunhofer-Gesellschaft eine führende Position in den für Theranostische Implantate wichtigen Schlüsseltechnologien einnehmen. Dies ist das Ziel des Leitprojektes, da kaum eine andere Einrichtung aus Forschung oder Industrie über vergleichbare Technologieplattformen verfügt (Halbleiter, Optik, Med-Tech ...).

 

Demonstratoren als theranostische Plattformen

Durch Bündelung der technologischen Möglichkeiten lassen sich theranostische Plattformen entwickeln, auf deren Grundlage beispielhaft drei Demonstratoren mit hoher Relevanz für den Markt aufgebaut und getestet werden sollen. Mit einem skelettalen, einem kardiovaskulären und einem neuromuskulären Demonstrator wird dabei fast der gesamte Bereich derzeit relevanter Theranostischer Implantate abgedeckt.

 

Skelettaler Demonstrator: Smarte Hüftgelenksprothese

Die »Smarte Hüftgelenksprothese« (skelettaler Demonstrator) erfasst eine mögliche Lockerung von Hüftprothesen und wirkt dieser sowohl durch geeignete Aktuatoren als auch durch eine gezielt Anregung des Konchenwachstums entgegen.

 

Kardiovaskulärer Demonstrator: Sensorimplantat zur Kontrolle des Blutkreislaufes

Durch multimodale invasive Erfassung physiologischer Parameter werden subklinische Veränderungen der Hämodynamik erfasst, so dass mit einem »Controlling« der Hämodynamik (kardiovaskulärer Demonstrator) vor dem Auftreten relevanter Symptome therapeutische Maßnahmen eingeleitet werden können.

 

Neuro-muskulärer Demonstrator: Myoelektrische Handprothesensteuerung

Invasiv mehrkanalig abgeleitete Muskelsignale ermöglichen eine »Myoelektrische Handprothesensteuerung« (neuromuskulärer Demonstrator) mit mindestens sechs Freiheitsgraden, wobei die nervale Stimulation dem Betroffenen ein sensorisches Feedback über die Griffkraft geben soll.

Die Anforderungen der drei Demonstratoren stellen die treibende Kraft für die Technologieentwicklung der Institute dar. Es wurden die Arbeitspakete für die Entwicklung und Fertigung nebeneinander gestellt und die dafür erforderlichen Technologien beschrieben. Mit den Teilprojektleitern für die Demonstratoren (vertikal) und den Technologiekoordinatoren (horizontal) wird das Leitprojekt durch eine Matrixstruktur organisiert. Dieser intensive Austausch legt die Basis, um als vernetztes Fraunhofer-Team eine Technologieführerschaft auf dem Gebiet der Theranostischen Implantate zu erreichen.

Die so geschaffene Technologieplattform schafft die Voraussetzungen, um zukünftig schnell und modular medizintechnische Komponenten, Systeme und Implantate zu entwickeln und zu fertigen. Dieser konkurrenzlose Fraunhofer-spezifische Ansatz eines Leitprojekts schöpft das Synergiepotenzial durch die Zusammenführung und Verzahnung der Kompetenzen mehrerer Institute zur gemeinsamen Lösung aktueller Herausforderungen der medizintechnischen Industrie auf dem Gebiet der Theranostischen Implantate voll aus.

 

Teilprojekte des Fraunhofer IGB: Zellverträgliche Beschichtungen

 

Auch das Fraunhofer IGB ist mit zwei Abteilungen am Leitprojekt Theranostische Implantate beteiligt.

Die Abteilung Grenzflächentechnologie und Materialwissenschaft fertigt zusammen mit dem Fraunhofer IAP in Potsdam Barriereschichten zur Verkapselung der elektronischen Komponenten an.

Eine zweite Aufgabe zu Innovationen an der Oberfläche besteht in der Erarbeitung von Biotinten, die mittels 3D-Druck strukturiert auf die Oberfläche von Implantaten aufgetragen werden können. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer CMI – Center for Manufacturing Innovation in Boston, USA, und dem IAP entwickeln wir hydroxyapatithaltige Lösungen auf der Basis photovernetzbarer Gelatine und optimieren die Fließeigenschaften der Tinten für die Verarbeitung im Mikroextrusions-Drucker und die Haftung auf der Ti6Al4V-Oberfläche.

Die Abteilung Zell- und Tissue Engineering bewertet die Materialien bezüglich ihrer Zellverträglichkeit und untersucht die Adhäsion und die osteogene Differenzierung (Entwicklung zu Knochenzellen) von mesenchymalen Stammzellen im Kontakt mit den beschichteten Oberflächen.

© Fraunhofer IGB

Mesenchymale Stammzellen (rot) auf Albumin­beschichtung (grünlich fluoreszierend) und unbeschichtetem Ti6Al4V (schwarz) nach einer Minute.

Albuminbasierte Beschichtungen

Es ist bekannt, dass Albuminbeschichtungen die Adhäsion von Bakterien an Kunststoff- oder Metalloberflächen stark reduzieren. Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts »Theranostische Implantate« hat das Fraunhofer IGB nun gezeigt, dass Beschichtungen aus vernetztem Albumin auch das Anwachsen von mesenchymalen Stammzellen an Oberflächen aus Titan beschleunigen. Die Schichten können ohne Funktionsverlust mit Standardmethoden sterilisiert werden (Gamma-Sterilisation, Elektronenstrahl-Sterilisation).

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© Fraunhofer IGB

Verkapselte Kupferspule mit aufgelöteter Elektronik.

Barriereschichten zur biokompatiblen Verkapselung elektronischer Implantate

Elektronische Bauteile in Implantaten müssen eingekapselt werden, damit sie einerseits vor der korrosiven Wirkung des Körpermediums geschützt werden und andererseits keine Stoffe in das Gewebe freisetzen können. Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts »Theranostische Implantate« hat das Fraunhofer IGB hierzu biokompatible, nur wenige Mikrometer messende Schichten erzeugt, die eine gute Barriere gegenüber Metallionen und Wasser zeigen. Die ausgezeichnete Barrierewirkung und mechanische Stabilität wird dabei durch mehrere Lagen haftfest verbundener anorganischer und organischer Schichten erreicht.

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Projektinformationen

Projekttitel

Fraunhofer-Leitprojekt »Theranostische Implantate«

 

Projektlaufzeit

Juni 2014 – Mai 2018

 

Kooperationspartner

  • Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT
  • Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP
  • Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS
  • Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
  • Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS
  • Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
  • Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS
  • Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP
  • Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS
  • Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
  • Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
  • Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI, Institutsteil Bioanalytik und Bioprozesse

Förderung

Das Projekt wird über die Leitprojekt-Initiative der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert. Hiermit will die Fraunhofer-Gesellschaft den Wirtschaftsstandort Deutschland stärken, indem wissenschaftlich originäre Ideen schnell in marktfähige Produkte umgesetzt werden.