1/14/2013 Ausgabe 1. Im Verbundprojekt wird die Toolbox aus Hydrogel-basierten Beschichtungen

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1 NEWSLETTER WK BASIS 1/14/2013 Ausgabe 1 BIO-ANALYTICS AND SURFACES FOR INTEGRATION IN SYSTEMS Willkommen beim Wachstumskern BASIS Tagungen 2013 BASIS ist ein Bündnis aus Unternehmen und Forschungseinrichtungen in Thüringen. Das Bündnis verfolgt mit seiner Zusammenarbeit gemeinsame wirtschaftliche und wissenschaftliche Ziele. Im Mittelpunkt stehen Produkte mit bisher nicht realisierbaren Produkteigenschaften für die Zielmärkte Messtechnik für biologische Systeme, mobile Analytik und Implantologie. Für die Umsetzung wurde ein Verbundprojekt in den 3 Arbeitsschwerpunkten mit 17 Einzelprojekten gestartet. Im Mittelpunkt des Verbundprojektes stehen Sensoren mit stabiler Sensitivität z.b. für die Umwelt- und Bioanalytik, Implantate mit langzeitstabiler Osteointegration sowie Infektionsprophylaxe. Im Verbundprojekt wird die Toolbox aus Hydrogel-basierten Beschichtungen sowie Passivierungs-, Strukturierungs- und Funktionalisierungstechniken aufgebaut und danach kontinuierlich erweitert und verbessert. Erst die Anwendung der aufeinander abgestimmten Toolboxelemente als Alleinstellungsmerkmal des Bündnisses ermöglicht neu- und einzigartige Anwendungen in den Zielmärkten des Bündnisses BASIS. In den drei Arbeitsschwerpunkten wird vorerst auf einzelne Applikationsfelder in diesen Zielmärkten fokussiert. Das Verbundprojekt hat eine Laufzeit bis zum und wird vom BMBF im Programm "Unternehmen Region Innovative regionale Wachstumskerne" gefördert. EURO BioMAT; Weimar, April Thüringer Biomaterialkolloquium und 9. Thementage Grenz- und Oberflächentechnik vom im Bio-Seehotel in Zeulenroda Abstract-Deadline BASISTreff Industrietag, 10. Oktober 2013, Jena Thüringer Werkstofftag, 21. März 2013, Ilmenau Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomaterialien (DGBM); November 2013 International Soft Matter Conference; September , Rom Italien Toolbox mit funktionalen 3D-Hydrogel-Beschichtungen 3D-Hydrogele antiadhesiv antimikrobiell International Symposium Frontiers in Polymer Science; May 2013, Sitges/ Barcelona, Spanien Strukturierung Funktionalisierung Bioanalytik sensitiv selektiv Biomedizin antibakteriell osteotintegrativ

2 Das entstandene Bündnis befindet sich in der Technologieregion Jena/Ilmenau Thüringen. Fünfzehn Unternehmen und fünf Forschungseinrichtungen bilden das Bündnis im Wachstumskern (ca gewerblich Beschäftige mit einem Umsatz von ca. 110 Mio. in den für den Wachstumskern BASIS relevanten Geschäftsfeldern). Das Bündnis arbeitet am gemeinsamen Ziel, technologisch und wirtschaftlich in der Bioanalytik sowie in der Biomedizin neue Dimensionen zu erreichen. Langjährige Forschungs- und Entwicklungserfahrungen bilden die Grundlage der Zusammenarbeit der Bündnispartner. SMART HYDROGELS New Dimensions for Biointerfaces Hydrogele sind 3-dimensionale Netzwerke, die in der Regel aus quervernetzten hydrophilen Polymeren bestehen. Diese quellen unter Zugabe von Wasser, wobei der Quellungsgrad stark vom eingesetzten Polymer und dessen Vernetzungsgrad abhängig ist. Eine Klassifizierung von Hydrogelen kann nach den unterschiedlichsten Kriterien erfolgen, so z.b. im Hinblick auf die Ursprungsquelle (natürliche und synthetische Hydrogele), Netzwerknatur (Homopolymer-, Copolymer-, interpenetrierende- oder Doppel- Netzwerke), Porenstruktur (Homogen-optisch transparent; mikro- bis makroporöse Poren) und auch die Bioabbaubarkeit der Hydrogele. Des Weiteren kann man Hydrogele aufgrund ihres Vernetzungstyps in physikalisch und chemisch vernetzte Gele unterscheiden. Ein chemisch vernetztes Gel entsteht durch die Schaffung kovalenter Bindungen z.b. durch Polymerisation multifunktionaler Monomere oder durch Quervernetzungsreaktionen unter Zuhilfenahme von funktionellen Gruppen der wasserlöslichen Polymerketten. Im Gegensatz dazu entstehen physikalisch generierte Gele durch ionische oder hydrophobe Wechselwirkungen, Coulomb- bzw. van der Waals-Kräfte bzw. durch Wasserstoffbrückenbindungen. Bei diesen Systemen ist eine reversible Überführung des Gels in seinen flüssigen Aggregatzustand möglich. Aufgrund der steuerbaren Eigenschaften und guten Biokompatibilität stellen Hydrogele somit hochinteressante Materialien für verschiedenste chemische, biochemische und biomedizinische Anwendungen dar.

3 Intelligente Hydrogele Hydrophile Polymernetzwerke, die auf Eigenschaftsänderungen ihrer Umgebung reagieren, indem sie z.b. quellen, schrumpfen bzw. ihren Aggregatzustand ändern, werden als intelligente Hydrogele bezeichnet. Diese Fähigkeit zur stimulierbaren Eigenschaftsänderung (Volumen, Festigkeit, Permeabilität usw.) verleiht den Hydrogelen ein hohes Entwicklungspotenzial als zukunftsträchtige Funktionswerkstoffe für technische, biomedizinische oder naturwissenschaftliche Anwendungen. Die ersten Arbeiten zu intelligenten Hydrogelen reichen bis in die 50er Jahre des letzten Jahrhunderts zurück. Thermo-sensitive Systeme Thermo-sensitive Hydrogele reagieren auf Temperaturänderungen mit einem Aufquellen bzw. einer Wasserabgabe/-freisetzung. Ein derartiges Verhalten kann bei Hydrogelen beobachtet werden, die aus Polymeren mit einer sogenannten kritischen Lösungstemperatur bestehen. Abb. 1: Thermo-sensitive Hydrogele können temperaturabhängig mit einer Wasserabgabe/-freisetzung reagieren. Negativ thermo-sensitive Systeme besitzen eine untere kritische Lösungstemperatur und kontrahieren bei ansteigender Temperatur aufgrund des Aufbrechens der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Polymerketten und dem Lösungsmittel Wasser. Dadurch präzipitiert teilweise das gesamte Netzwerk. Bei positiv thermo-sensitiven Systemen tritt eine obere kritische Lösungstemperatur auf, die ein Zusammenschrumpfen der Gelstruktur unter Abkühlung verursacht. Diese Schalterfunktion ermöglicht verschiedenste Anwendungsfelder, z.b. die gerichtete Freisetzung von Medikamenten bei Erreichen bestimmter Temperaturen sowie die Entwicklung thermosensitiver Sensoroberflächen. Ein klassisches Beispiel für Polymere mit einer unteren kritischen Lösungstemperatur, welche für die Bildung von Hydrogelen Verwendung finden, sind Poly-N-Isopropyl Acrylamide (pnipaam) bzw. Hydroxypropyl Cellulose, die eine untere kritische Lösungstemperatur von 32 C bzw. 40 C besitzen. ph-sensitive Systeme ph sensitive Hydrogele ändern ihre Porosität in Abhängigkeit von der Ionenstärke, da die Löslichkeit dieser Polymernetzwerke stark vom Ionisationsgrad abhängt je mehr Ladung dabei die Polymerkette trägt, umso besser löst sich diese im Wasser. Anionische Gele steigern ihren maximalen Wassergehalt mit steigendem ph, da die entsprechend vorhandenen Säuregruppen deprotoniert werden, im Gegensatz dazu quellen kationische Gele besser bei niedrigem ph. Beispiele für derartige Hydrogele sind Polyacrylsäure (anionisch) und Chitosan/Polyvinylpyrolidin (kationisch). Biologisch responsive Systeme Auch der Nachweis von Biomolekülen auf der Basis von sensitiven Hydrogelen konnte bereits realisiert werden. So zeigen z.b. auf Phenylboronsäure basierende Hydrogele eine Zunahme des Quellwertes unter Anwesenheit von Glucose - die damit verbundene Änderung der Resonanzfrequenz wird genutzt, um implantierbare Blutzuckersensoren zu entwickeln. Andere Designs nutzen Drucksensoren, um das Quellverhalten von Hydrogelen unter physiologischen Bedingungen (ph Wert oder CO 2 Gehalt) anzuzeigen. Abb. 2: Verwendung eines Glukosesensitiven Hydrogels für einen implantierbaren Glukose-Sensor 1. Wichterle, O. et. al.. Nature, (4706): p Alupei, I.C., et al., Eur. Polymer Journal, (11): p Kuhn, W., et al., Nature, (4196): p Tsitsilianis, C.,. Soft Matter, (11): p Dong, L.C. et al. Acs Symposium Series, : p Xu, F.J., et al., Bioconjugate Chemistry, (3): p Georgiou, M.A.W Polymers p Lei, M., et al. Biomedical Microdevices, (3): p Herber, S. et al. Sensors and Actuators B-Chemical, (1-3): p

4 BIOMEMS Design einer Testplattform Die TU Ilmenau entwickelt eine BioMEMS Testplattform inklusive der dafür notwendigen Handhabungs- bzw. Trägerelemente. Dabei wird auf verschiedenen technologischen Strecken aufgebaut. Dazu zählen im Wesentlichen: klassische Feinbearbeitung für miniaturisierte Biosysteme Kunststoff-Heißprägen für Präzisionsformteile Silizium-Mikrosysteme für ultraflache hochpräzise Strukturen In Vorläufer-Projekten wurden Systeme für Applikationen wie 3DZellkultivierung auf PolymerträgerFolien sowie Zellkultivierung und Echtzeit-Beobachtung auf nanostrukturierten Oberflächen entwickelt. Abb. 1 zeigt einen Bioreaktor mit Schlauchanschlüssen und einem Matrigrid im Inneren, auf bzw. in dem sich die zu kultivierenden Zellen befinden. Schlauch ein 3-Kammer-System fluidisch versorgt. Abb. 4: Heißprägeanlage und geprägte Polymerfolie nach der Entnahme aus dem Werkzeug Für die Echtzeit-Beobachtung von Zellen im Mikroskop wurde das in Abb. 3 dargestellte System mit integrierter Inkubatorfunktion (Wärmetauscher) aufgebaut. Darin können zum Beispiel Scaffoldstrukturen mit Zellen getestet und beobachtet werden. Abb. 5: siliziumbasiertes BioMEMS mit integriertem Scaffold (hergestellt durch Zwei-Photonen-Polymerisation) Abb. 3: Miniaturisierter Bioreaktor aus PMMA für die Zellkultivierung (Kammergröße 10x10 mm²) Teile der Systeme, zum Beispiel die Matrigrids oder strukturierte Zwischenlagen sowie flache Systeme können auch direkt über einen Heißprägeschritt aus Polymerfolien (Abb. 2) hergestellt werden. Für die Anforderungen des WK Basis an die Testplattform müssen alle Systeme modifiziert werden. Um mehrere Substrate (Trägerelemente) gleichzeitig bzw. vergleichend zu testen, sind Mehrkammersysteme zwingend erforderlich. Eine Variante ist in Abb. 4 zu sehen. Hier wird über einen 4-lumigen Abb. 6: BioMEMS aus Silizium und Glas (3 Kammern mit jeweils 3 mm Durchmesser) und integrierter Peripherie (Schlauchanschlüsse) Die Nutzung von siliziumbasierten Systemen ist jedoch auf kleine Probengrößen (Trägerelemente) beschränkt. Für die im WK Basis standardisierten Probenelemente (Ø 15 mm bzw. Ø 25 mm) werden Testkammern (siehe Abb. 5) auf klassische Weise (Feinbearbeitung / Heißprägen) aufgebaut und über Konnektoren als flexible Testplattformen in den Laboren der Projektpartner etabliert. Abb. 7: Design der Testplattform (grün) für parallele Testung von 2 Probenträgern (rot) mit strukturierten BioInterfaces

5 BIOHYDROGELE Applikationen in Bioanalytik und Medizin Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik Heiligenstadt e.v. Ein erster Überblick zum Stand der Wissenschaft definiert die Hauptanwendungen von Biohydrogelen: - Smart Biosensoren - Drug Release-Produkte - Wundauflagen, Kontaktlinsen - bioartifizielle Organe und Strukturierungsmethoden: - Photopolymerisation, - Photopatterning - Stereolithographie, - Photolithographie Die gegenwärtige Entwicklung verläuft dabei in zwei Zielrichtungen: 1. die Kombination der unterschiedlich wirksamen sensitiven Parameter, um das Quellverhalte gezielt zu aktivieren bzw. deaktivieren, z.b. : lichtund ph-sensitive Hydrogele 2. die Integration von nanoskaligen Stoffen, um auf spezifische Eigenschaften Einfluss zu nehmen, z.b. : Integration von kolloidalem Silber, Hydroxylapatit oder Carbon-Nanotubes Biohydrogele in der Medizin Die physiologisch-mechanischen Eigenschaften, der ECM-analoge Stofftransport und die natürliche Barrierewirkung von Hydrogelen sind für die Biomedizin von großem Interesse. Insbesondere der Übergang von 2-dimenionalen Beschichtungen hin zu echten 3- dimensionalen Polymeren eröffnete für die Hydrogele ein großes Applikationsfeld mit zwei Schwerpunkten: - Tissue Engineering (Scaffolds, künstliche Organe und extrazelluläre Matrices (ECM)) - Drug Release (Hydrogele als Reservoir für spezifische Wirkstoffe, Diagnostik). Im Allgemeinen besitzen Hydrogele eine gute Biokompatibilität. Während natürliche Hydrogele z.b. aus ECM-Polymeren, eine zelladhäsive Oberfläche mitbringen, zeigen sie eine große Variabilität in ihrer Zusammensetzung sowie den mechanischen Eigenschaften. Demgegenüber besitzen synthetische Hydrogele bei geringer Zellakzeptanz eine gleichförmigere Struktur und ein besseres Handling. Prinzipiell ist die geringe mechanische Stabilität der Hydrogele für ihren Einsatz in vivo von Nachteil. Es erfolgten unterschiedlichste Modifikationen der Hydrogele zur Optimierung ihrer Bioaktivität z.b. durch die Integration von Antibiotika und Wachstumsfaktoren. Abb. 8: Osteoblast auf einer Hydrogeloberfläche Ein Applikationsbeispiel aus dem WK BASIS zielt auf die Erhöhung der Stabilität von Implantaten durch eine gesteigerte Osteointegration in das Knochengewebe auf plasmamodifiziertem Titan (Vacuum Plasma Sprayed). Zum Einsatz kommen Hydrogelschichten auf Polyelektrolytbasis, auf denen eine gute Zelladhäsion bereits nachgewiesen werden konnte (Abb. iba 1 ). Biohydrogele in der Bioanalytik Die Fähigkeit der Hydrogele auf äußere Reize der Umgebung in unterschiedlichster Weise zu reagieren und dadurch reversibel makroskopische Effekte hervorzurufen, prädestinieren sie zur Anwendung als Biosensoren. Dennoch zielten die ersten Applikationen von Hydrogelen in der Bioanalytik zunächst auf die Beschichtung von Sensoroberflächen mit dem Ziel, unerwünschte Interaktionen mit biologischen Systemen zu unterdrücken. Von Vorteil erwies sich zudem, dass die porösen Strukturen die Diffusion von spezifischen Molekülen erlaubte, jedoch die Penetration von Zellen unterdrückte. Bald rückte dennoch die Nutzung der Hydrogele als Immobilisierungsmatrix für biosensorische Elemente in den Vordergrund. Im Rahmen des WK BASIS dienen dreidimensionale Hydrogelstrukturen der Maximierung der Oberfläche zur Verbesserung der Extraktion z.b. in der Nukleinsäureanalytik. Unter Anwendung der 2-Photonenpolymerisationen entstanden strukturierte Polymere mit einer Oberflächenvergrößerung von >10,000x. Abb.9: Schwarz-P-Struktur

6 WK BASIS Rückblick WEBSITE IST ONLINE Der Verbund präsentiert sich nun online unter BIOINTERFACES 2012 Ein wesentlicher Schwerpunkt des Workshops lag in der Organisation von Face-to-Face-Kontakten - einer parallel stattfindenden Kooperationsbörse - mit dem Ziel der Kundenakquisition. Im Ergebnis liegt ein 64-seitiger Teilnehmerkatalog vor, in dem die Kooperationsprofile aller teilnehmenden Firmen bzw. Forschungseinrichtungen enthalten sind. Abb. 12: Workshop. Heiligenstadt Die Tagungsteilnehmer erhielten einen umfassenden Einblick zur Arbeit des Wachstumskerns BASIS und dem Stand der Forschung. Der 1. Öffentliche Workshop des innovativen regionalen Wachstumskern BASIS fand vom in Erfurt statt. Es wurde erreicht, transnationale und interregionale Kooperationsbeziehungen aufzubauen, um die in Thüringen entstehenden Kompetenzen mit existierenden Kompetenzclustern in ganz Deutschland und Europa zu vernetzen. Abb. 10: Workshop, Erfurt Abb. 11: Workshop, Erfurt 16. HEILIGENSTÄDTER KOLLOQUIUM Der 2. Öffentliche Workshop des Wachstumskerns BASIS integrierte sich am Heiligenstädter Kolloquium vom , zu dem etwa 200 Wissenschaftler und Unternehmer begrüßt werden konnten. Unter dem Fokus Technische Systeme der Lebenswissenschaften ordnete sich die eintägige Session zum Thema Biointerfaces optimal in das Programm ein. Abb. 13. Vortrag Prof. Dr. U. Schubert PUBLIC RELATIONS Der Wachstumskern wurde auf folgenden Veranstaltungen durch Poster, Vorträge präsentiert: - IMPLANTS 2012, Lyon Biokeramiksymposium, Leipzig - Biointerfaces 2012, Erfurt - Jahrestagung DGBMT 2012, Jena - Heiligenstädter Kolloquium - DECHEMA 2012, Frankfurt - Polymeric and Self-Assembled Hydrogels 2012, London - Jahrestagung der DGBM 2012, Hamburg Ansprechpartner Dr. Jörg Weber (Verbundkoordinator), Analytik Jena AG, Konrad-Zuse-Str. 1, Jena, Tel Prof. Dr. Klaus Liefeith (Wissenschaftlicher Leiter), iba Heiligenstadt e.v., Rosenhof, Heilbad Heiligenstadt, Tel

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