FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KERAMISCHE TECHNOLOGIEN UND SYSTEME IKTS GESCHÄFTSFELD BIO- UND MEDIZINTECHNIK

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1 FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KERAMISCHE TECHNOLOGIEN UND SYSTEME IKTS GESCHÄFTSFELD BIO- UND MEDIZINTECHNIK

2 1 BIO- UND MEDIZINTECHNIK Im Geschäftsfeld»Bio- und Medizintechnik«bietet das Fraunhofer IKTS keramische Werkstoffe, Komponenten und Systeme für die Dentaltechnik, Endoprothetik sowie die biomedizinische Diagnostik und Therapeutik. Die umfangreiche Erfahrung mit keramischen Werkstoffen ist der Grundstein, um Industrie- und Forschungspartner bei der Produktentwicklung vom Rohstoff bis zum kompletten medizintechnischen Gerät unterstützen zu können. Qualitäts-, Kosten- und regulatorische Anforderungen sind zentraler Bestandteil der medizintechnischen Forschungsarbeiten am Fraunhofer IKTS und werden durch eine hervorragende technische Infrastruktur mit zertifizierten Laboren sichergestellt. Es bestehen langjährige Kooperationen sowohl in der Bearbeitung von kundenspezifischen Aufgabenstellungen als auch im Rahmen von Gutachtertätigkeiten. Das Fraunhofer IKTS ist zertifiziert nach dem Medizinproduktegesetz für die Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der biokeramischen Werkstoffe und Komponenten sowie der Herstellung von Halbfabrikaten für die Anwendung in der Medizintechnik. Diese werden vorwiegend in der Dentaltechnik und Endoprothetik eingesetzt, insbesondere als Knochenersatzmaterial und in biokeramischen Oberflächen- und Formkörperdesigns. Auf Basis kommerziell verfügbarer Materialien werden neue keramische Werkstoffe und Komponenten mit verbesserten und modifizierten Eigenschaften entwickelt, die den Anforderungen einer stetig alternden Gesellschaft gerecht werden. Dabei nutzen die Wissenschaftler Schäumungs-, Abform- und Schlickergusstechnologien, Plasmabeschichtungsund Sol-Gel-Verfahren sowie innovative Verfahren wie die Additive Fertigung. Einen weiteren Schwerpunkt bilden Verfahren der Zell- und Gewebediagnostik, die Aufschluss über das Verhalten von Zellen im Körper und gegenüber Fremdmaterialien geben und die so zur Diagnose sowie Behandlung schwerwiegender Krankheiten beitragen. Grundlage dafür ist ein breites Portfolio physikalischer Charakterisierungsverfahren, ergänzt um eine umfassende Kompetenz im Bereich bildgebender Methoden sowie der Verarbeitung großer Datenmengen. Im Fokus stehen dabei Verfahren, Systeme und Instrumente für die Stimulation und das Monitoring von Zellen und Geweben sowie für die Separation, Detektion und Suppression von mikrobiellen Organismen und Toxinen. Darüber hinaus werden optische, akustische und bioelektrische Verfahren für die klinische Labordiagnostik und Point-of-Care-Diagnostik sowie für Home-Care-Applikationen qualifiziert. Das Dienstleistungsangebot reicht von der Konzeption, Verfahrens- und Softwareentwicklung über die Konstruktion und den Bau von Prototypen bis hin zur Unterstützung bei der Überführung in die Fertigungsphase. Das Fraunhofer IKTS verfügt neben den biophysikalischen, biochemischen und biomechanischen Prüflaboren auch über entsprechend eingerichtete zertifizierte Labore für die Zell- und Immunbiologie sowie für die Bewertung der Umwelt- und Gesundheitsrisiken von Nanopartikeln. So lassen sich gezielt Lösungen zur Bewältigung der Herausforderungen in der Medizintechnik sowie im Life-Science- und Home-Care- Segment entwickeln und in die Anwendung überführen.

3 2 3 ANWENDUNGSBEREICHE Implantate Am Fraunhofer IKTS werden seit vielen Jahren biokeramische Werkstoffe und funktionale Komponenten für die Implantologie entwickelt und optimiert. Mit Hilfe von Schäumungs- und Abformtechnologien sowie Plasmabeschichtungs- und Sol-Gel-Verfahren können dichte und zelluläre biokeramische Formkörper hergestellt und funktionalisiert werden. Neue Ansätze wie die Additive Fertigung oder die Funktionalisierung mittels sensorischer und aktorischer Systeme sind zentrale Forschungsthemen für eine neue Generation von Implantaten. Dentalkeramik Damit dentalkeramische Komponenten durch Ästhetik, Bioverträglichkeit und außergewöhnliche Belastbarkeit überzeugen, forscht das Fraunhofer IKTS an neuartigen Materialien, Komponenten und Herstellungstechnologien. In durchgängigen Prozessketten (CAD/CAM) können oxidkeramische Werkstoffe z. B. zu dentalen Restaurationen verarbeitet werden. Des Weiteren ist es möglich, beim Formgebungsprozess die Oberfläche von Implantaten aus Oxidkeramik gezielt zu strukturieren. Für die Dentalkeramik wurde zusätzlich ein Lithiumsilikat zur Dünnschichtverblendung monolithischer Restaurationen aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid entwickelt, welches einen sehr guten Haftverbund liefert, einfach aufzubringen ist und keine Nacharbeit notwendig macht. Ein umfangreiches Set an Charakterisierungsmethoden ermöglicht eine stetige Verbesserung der Eigenschaften auf Werkstoff- und Halbzeugebene. Innerhalb der Vorlaufforschung werden modernste Verfahren wie die Additive Fertigung von Dentalkomponenten untersucht, optimiert und für einen seriellen Einsatz qualifiziert. Biosensorik und -aktorik Das Wissen darüber, wie biologische Gewebe mit verschiedenen Materialien interagieren, ist entscheidend für die Entwicklung von Implantaten und biofunktionalen Mikrosystemen. Die Kombination biokeramischer Werkstoffe und biophysikalischer Systeme schafft Synergien zwischen Keramik und Mikrosystemtechnik und erlaubt so die Herstellung von diagnostischen und therapeutischen Medizintechnikprodukten. Eine besondere Kompetenz besitzt das Fraunhofer IKTS in der Entwicklung von Monitoringsystemen zur Untersuchung von zellulären und mikrobiellen Wachstumsprozessen. Darüber hinaus arbeitet das Fraunhofer IKTS an biophysikalischen Aktorsystemen, um das Anwachsen von Geweben auf Implantatoberflächen gezielt zu fördern und das Bakterienwachstum zu hemmen. Neuartige Übertragungssysteme sichern die kabel- und batterielose Energieversorgung von Implantaten.

4 4 Chirurgische Instrumente und Komponenten Keramische Werkstoffe zeichnen sich neben Verschleißfestigkeit, Bioverträglichkeit und chemischer Inertheit auch durch eine gezielte Einstellbarkeit der elektrischen Leitfähigkeit aus. Dies ermöglicht kreative Ansätze bei der Fertigung funktionalisierter chirurgischer Instrumente sowie verschiedenster Komponenten der Medizintechnik. Hochpräzise keramische Schneidmaterialien und Instrumente, die in einem Arbeitsschritt abklemmen und veröden, oder keramische Federn für Röntgengeräte wo die Möglichkeiten anderer Materialien enden, beginnen keramische Werkstoffe ihre Vorteile auszuspielen. Am Fraunhofer IKTS wird daher permanent an zukunfstweisenden Anwendungen für Komponenten und Geräte der Medizintechnik geforscht, um Keramik zum Nutzen des Menschen einzubringen. Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI wurde dafür das Bio-Nanotechnologie Anwendungslabor (BNAL) gegründet. An der Schnittstelle von Zellbiologie, Medizin, Biotechnologie, Nanotechnologie und Medizintechnik werden Themen von der biologisch-medizinischen Grundlagenforschung über die Verfahrensentwicklung bis hin zur Validierung neuester Technologien und Systemlösungen bearbeitet. Analytik und Diagnostik Innovative Verfahren der optischen, akustischen und bioelektrischen Analytik eröffnen neue Wege für medizinische Diagnosesysteme der nächsten Generation. Im Mittelpunkt der Forschung am Fraunhofer IKTS stehen Methoden, Komponenten, Verbrauchsmaterialien und Komplettsysteme für die Onkologie, Biomedizin sowie klinische Anwendungen. Optische Methoden stellen einen besonderen Schwerpunkt dar, da Licht schnell, hochsensitiv und berührungslos messen kann. Es ist damit ein ideales Werkzeug, um biologische Prozesse und Defekte direkt auf Zellebene zu messen. Bereits heute können somit zahlreiche medizinische und diagnostische Fragestellungen in der Medizintechnik und im Life-Science-Bereich einfach und kostengünstig beantwortet werden. 1 Zirkonoxid für dentale Anwendungen. 2 Additiv gefertigter Unterkieferknochen. 3 Elektrochemisches Multisensorarray aus LTCC. 4 In-vitro Zellmonitoring.

5 5 KOMPETENZEN Keramische Werkstoffe und Oberflächen - Hochreine dichte oder poröse Biokeramik (Al 2 O 3, ZrO 2 (ATZ, ZTA, Y-TZP), Ca 3 (PO 4 ) 2 und HAP) - Offenzellige Schaumkeramik und Metallschäume - Glas und Glaskeramik (Li 2 Si 2 O 5 ) - Oxid- und Nichtoxidkeramik mit gezielten elektrischen, thermischen, mechanischen und optischen Funktionalitäten - Komposite (Polymerkeramik) und Werkstoffverbunde (porös/dicht, Metall/Keramik) Technologien - Pulver- und Schlickeraufbereitung - Gieß-, Press- und plastische Formgebungsverfahren - Schäumungs- und Abformtechnologien für zellulare Strukturen - CAD/CAM-Linie - Oxidkeramische Halbzeuge (zertifiziert nach EN ISO 13485:2012) - Plasmabeschichtung und Sol-Gel-Verfahren - Additive Fertigungsverfahren - Dickschicht- und Multilayertechnologie (komplette Linie für HTCC, LTCC) - Dünnschichttechnologie (Thermal CVD, PECVD, Thermal ALD, PVD, LPD) - Mikro- und Oberflächenbearbeitung - Biokompatible Aufbau- und Verbindungstechnik - Medizintechnischer Gerätebau - Hochskalieren und Technologietransfer Diagnose-/Therapiesysteme und Charakterisierung - Bioelektrische, topographiebasierte, akustische und optische Messsysteme - Biophysikalische Charakterisierung auf Nano-, Mikro- und Makroebene (TEM, SEM, AFM, AFAM, Raman) - In-vivo- sowie In-vitro-Analyse- und Diagnosesysteme (fluoreszenzbasierte Tumordiagnostik, Theranostik) - Sensor- und Aktorsysteme für Untersuchung von Stimulations- und Suppressionsprozessen - Plasmonische Sensorsysteme - Energieübertragungs- und Kommunikationssysteme - Labordiagnostik in S2-Umgebung 5 3D-Visualisierung eines Zahns mittels Optischer Kohärenztomographie.

6 KURZPORTRÄT DES FRAUNHOFER IKTS Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS betreibt anwendungsorientierte Forschung für Hochleistungskeramik. Die drei Institutsteile in Dresden und Hermsdorf (Thüringen) formen gemeinsam das größte Keramikforschungsinstitut Europas. Als Forschungs- und Technologiedienstleister entwickelt das Fraunhofer IKTS moderne keramische Hochleistungswerkstoffe, industrierelevante Herstellungsverfahren sowie prototypische Bauteile und Systeme in vollständigen Fertigungslinien bis in den Pilotmaßstab. Das Institut arbeitet in acht marktorientierten Geschäftsfeldern, um keramische Technologien und Komponenten für neue Branchen, neue Produktideen und neue Märkte jenseits der klassischen Einsatzgebiete zu demonstrieren und zu qualifizieren. Dazu gehören keramische Werkstoffe und Verfahren, Maschinenbau und Fahrzeugtechnik, Elektronik und Mikrosysteme, Energie, Umwelt- und Verfahrenstechnik, Bio- und Medizintechnik, Optik sowie die Material- und Prozessanalyse. KONTAKT Geschäftsfeld Bio- und Medizintechnik Dr. Jörg Opitz Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Institutsteil Materialdiagnostik Maria-Reiche-Straße 2, Dresden Tel ikts.fraunhofer.de Der Institutsteil Materialdiagnostik erweitert das Forschungsportfolio um die Kompetenzen Werkstoffdiagnose und -prüfung. Die Prüfverfahren aus den Bereichen Akustik, Elektromagnetik, Optik, Mikroskopie und Strahltechnik tragen maßgeblich zur Qualitätssicherung von Produkten und Anlagen bei. TITELBILD Gefriergeschäumte Daumenknochenreplikate.