3D-Designer-Materialien

3D strukturiertes Hybridpolymer Zweiphoton Polymerisation — © S. Hasselmann, Fraunhofer ISC
Mittels Zwei-Photonen Polymerisation 3D strukturiertes Hybridpolymer.

3T3 auf strukturiertes 2,5D Oberflaeche — © S. Hasselmann, Fraunhofer ISC
Fluoreszent-markierte Fibroblastenzelle auf einer 2,5D strukturierten Oberfläche.

Bioresorbierbares Kompositpolymer mit Silica Nanopartikeln — © S. Hasselmann, Fraunhofer ISC
Fluoreszenz Mikroskopiebild des Fraunhofer ISC Logo hergestellt durch Zwei-Photonen-Polymerisation eines bioresorbierbaren Kompositpolymers (ORMOCER^®) mit Farbstoffbeladenen Silica-Nanopartikeln. Der beladene Stoff wird beim Abbau der Polymermatrix an die Umgebung abgegeben.

Der heutige Goldstandard zur humanen Zellkultur beschränkt sich noch immer auf 2D-Kulturschalen, meist aus Polystyrol und mit adhesionsvermittelnden Biobeschichtungen. Innerhalb dieser 2D-Kultur wird das Verhalten der Zellen analysiert und verschiedenste Umgebungsreize getestet. Nachweislich verhalten sich Zellen jedoch in ihrer nativen, physiologischen 3D-Umgebung innerhalb der extrazellulären Matrix und im Kontakt mit umgebenden Zellen völlig unterschiedlich und reagieren abweichend zur 2D-Kultur auf externe Stimuli oder pharmakologische Wirkstoffe. Durch den steten interzellulären Austausch biochemischer und biophysikalischer Signale wird das Zellverhalten beeinflusst und Zelleigenschaften wie Morphologie, Proliferationsraten und Differenzierung grundlegend geändert. Diese Unterschiede sind essentiell für die Expansion von Stammzellen und umso wichtiger für weitere Differenzierungsprozesse, weshalb innovative 3D-Umgebungen designt und entwickelt werden um physiologische Gegebenheiten zu imitieren.

Die Arbeitsgruppe 3D-Designer-Materialien beschäftigt sich in enger Zusammenarbeit mit den AGs Optik-Elektronik und Dental des Fraunhofer ISC mit der Entwicklung und Optimierung von Materialien für die 3D-Zellkultur und deren Strukturierung. Hierbei kommen verschiedenste Basismaterialien zum Einsatz, die entsprechend an die Anwendung und den Zelltyp angepasst werden können. Diese einstellbaren Eigenschaften umfassen beispielsweise den Elastizitätsmodul, verschiedene Oberflächenfunktionalisierungen, die Oberflächenenergie und –rauigkeit sowie die Bioabbaubarkeit. Um die Eigenschaftsprofile zu erweitern werden Komposite unterschiedlicher Materialien verwendet. Die Strukturierung der Materialien erfolgt mit verschiedensten Methoden in quasi-3D (2,5D) und 3D. Hierbei reicht das Spektrum von 3D-Druck, Mikro- und Nanoimprint, Zwei-Photonen Polymerisation bis hin zur klassischen Lithographie.

Themenschwerpunkte

Entwicklung von 3D-strukturierbaren Materialien für die Zellkultur/Medizintechnik
Materialoptimierung an Anforderungsprofil und Zelltyp
Breites Parameterspektrum für E-Modul, Funktionalisierung, Oberflächenrauigkeit
3D-Design und 3D-Strukturierung
Moderne Materialcharakterisierung