NEWSLETTER. Tagungen 2014 AUS IDEEN WERDEN ANWENDUNGEN BASIS-TREFF LÄDT EIN. Willkommen beim Industrietag in Jena

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1 NEWSLETTER WK BASIS 1/1/2014 Ausgabe 2 AUS IDEEN WERDEN ANWENDUNGEN BASIS-TREFF LÄDT EIN Willkommen beim Industrietag in Jena Tagungen 2014 Unter dem Motto Neue Dimensionen für biologische Grenzflächen hat der Thüringer Wachstumskern BASIS in Jena einen Industrietag veranstaltet. Vor allem der wissenschaftliche Nachwuchs sollte hier die Möglichkeit bekommen, Kontakte zu den Unternehmen zu knüpfen. Außerdem nutzten die BASIS- Partner die Gelegenheit, sich über die neuesten Entwicklungen im Wachstumskern auszutauschen. Auf Nachhaltigkeit komme es an - betonte Ministerialrat Hans-Peter Hiepe als Gastredner in Jena. Bei BASIS muss man sich darum keine Sorgen machen. Hier haben sich Partner gefunden, die gemeinsam neue Materialbeschichtungen entwickeln. Daraus entstehende Anwendungen können auch nach Ende der Förderphase Bestand haben. So untersuchen Prof. Dr. Ulrich S. Schubert von der FSU Jena und sein Team neue Beschichtungsmaterialien. Dazu gehören maßgeschneiderte Polymere, die sich in flüssiger Form mit Hilfe des Tintenstrahlverfahrens drucken lassen. Außerdem entwickeln die Wissenschaftler um Schubert 3D-Hydrogele, die DNA binden. Werden Oberflächen von Chips damit beschichtet, die für DNA-Tests eingesetzt werden, könnten solche Tests künftig schneller und sicherer werden. Der Partner Analytik Jena GmbH entwickelt solche Testmöglichkeiten. Auch für Implantate sind Hydrogel- Beschichtungen interessant. Sie sorgen dafür, dass sich mehr Knochenzellen bilden, das Implantat wird dadurch besser im Körper integriert. In einem Großtier-Versuch konnte das bereits nachgewiesen werden. Neben Beschichtungen untersucht das Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.v. in Heiligenstadt Hydrogele, die durch die so genannte 2-Photonen- Polymerisation strukturiert werden können. Dabei entstehen 2-Phasen- Polymere mit beliebig komplexen dreidimensionalen Strukturen. Um dies im industriellen Maßstab zu realisieren, hat die Ilmenauer TETRA GmbH im Rahmen von BASIS eine Maschine entwickelt und gebaut, die solche Polymere mit Hochleistungslasern strukturieren kann. Damit ist ein erster großer Schritt in Richtung Anwendung getan, dem die BASIS - Partner in Zukunft noch zahlreiche folgen lassen wollen. Bio Inspired Materials Potsdam 10. Thementage Grenz- und Oberflächentechnik Leipzig ESBiomaterial Liverpool 17. Heiligenstädter Kolloquium, th International Congress Nanotechnology, Medicine & Biology, Krems/Austria 8th ECNP International Conference on Nanostructured Polymers and Nanocomposites, Sep 2014 Dresden, Germany

2 Hydrogele für die mobile Analytik Hydrogele sind eines der vielseitigsten und wirkungsvollsten Materialien. Vom Superabsorber in Windeln bis hin zum Wundpflaster findet man Hydrogele heute in einer Vielzahl angewandter Produkte. Doch wie kann man sich Hydrogele in der Analytik nutzbar machen? Hydrogele besitzen die hervorragende Eigenschaft, in wässriger Umgebung zu quellen ohne ihre Grundstruktur zu zerstören. Sie können gleichermaßen das Wasser wieder abgeben und in ihren Ausgangszustand zurückkehren. Darüber hinaus können eine Vielzahl weiterer Faktoren, wie z.b. Temperatur, ph-wert oder Licht die Funktion des Hydrogels beeinflussen. In Kombination mit gezielten physikalischen oder chemischen Modifizierungen der Hydrogeloberfläche lassen sich so neuartige 3D- Strukturen für analytische Testsysteme konzipieren. Immer effizientere und schnellere Testsysteme werden entwickelt, um in Zukunft eine personalisierte Medizin zu ermöglichen. Vorteile mobiler Diagnostiksysteme sind deutlich verkürzte Analysezeiten, was insbesondere dann wichtig ist, wenn in einem definierten Zeitfenster Interventionen erfolgen müssen. Beispiele hierfür wären die Festlegung einer Quarantäne bei Seuchenausbruch oder die optimale Therapieoption für einen Patienten mit Verdacht auf Myokardinfarkt. Das ideale Gerät für den vor-ort Einsatz ist portabel, einfach bedienbar, robust, d.h. unter diversen Umgebungsbedingungen einsetzbar. Weitere wichtige Aspekte sind Anwenderfreundlichkeit, einfache Probenpräparation sowie schnelle Testresultate. Die Implementierung von Hydrogelen in diese Schnelltests ist an unterschiedlichen Stellen möglich. Allgemein ist durch die selektive Steuerung der Porengröße der Hydrogele und die Vielfalt möglicher reaktiver Gruppen für die Anbindung von Molekülen ein hochinteressantes Tool für bioanalytische Fragestellungen verfügbar. Die poröse dreidimensionale Interaktionsmatrix ermöglicht die Untersuchung molekularer Interaktionen zwischen Makromolekülen wie Nukleinsäuren oder Proteinen, da diese Biomoleküle komplexe Hydrathüllen für ihre Reaktivität benötigen. Zum Einsatz kommen Hydrogelstrukturen bspw. für die Extraktion der Targetmoleküle (Nukleinsäuren), als Molekülinteraktionsmatrix in Lateral-Flow-Steifen bzw. in Mikroarrays. Insbesondere für die mobile Analytik führt der Einsatz von Hydrogelen zu einer Verbesserung chipbasierter Testsysteme in Hinblick auf Spezifität, Sensitivität und Zuverlässigkeit. In den Bereichen Mobile Analytik, Schnelltests, Gerätesysteme und Point of Care- Anwendungen für die Humanmedizin, Tiermedizin, dem Umweltmonitoring oder der Lebensmittelsicherheit sind schnelle und zuverlässige Methoden von enormer Wichtigkeit. Im humanmedizinischen Kontext wird häufig von patientennaher Diagnostik gesprochen, d.h. direkt am Patientenbett, was in Notfallambulanzen oder Intensivstationen bedeutsam ist. Abbildung 1: 2D-Interaktionsfläche (a) und 3D-Interaktionsmatrix (b) zur Detektion von DNA mit finaler kolorimetrischer Signalausgabe (Silberabscheidung im Hydrogel, c + d) Im Rahmen des Wachstumskerns BASIS Teilprojekt Mobile Analytik werden Hydrogele als vielversprechende 3D-Matrix für DNA-Tests untersucht. Mobile Analysesysteme für das Monitoring von medizinisch relevanten Biomarkern bzw. für den Erregernachweis sind dabei von besonderem Interesse. In aktuellen Forschungsarbeiten werden Hydrogelbeschichtungen erforscht, die es ermöglichen, DNA aus einer Lösung reversibel binden zu können. Weiterhin werden Hydrogelstrukturen mit sogenannter timegate-funktion hinsichtlich ihrer Eignung als Komponenten von Lateral-Flow-Teststreifen untersucht.

3 Im Rahmen des Wachstumskern Basis erforscht die Arbeitsgruppe Jenaer Biochip Initiative am IPHT die Erweiterung einer elektrisch und optisch auslesbaren Chip-basierten Detektionsplattform von 2D zu 3D durch die Implementierung von Hydrogelstrukturen (Abb. 1). Der Einsatz der Hydrogele wird das Testsystem hinsichtlich Spezifität und Sensitivität entscheidend verbessern (Abb. 1b). Kurze synthetische Oligonukleotide werden hierbei während des Polymerisationsprozesses im Hydrogel immobilisiert und dienen als Erkennungsmoleküle für die nachzuweisende Ziel-DNA extrahiert aus Probenmaterial. Dabei kann durch Variation des Porendurchmessers im Hydrogel die Diffusion der gesuchten Ziel-DNA oder, bei Adaption des Systems für die Detektion von Antigenen, die Diffusion des Proteindetektionskomplexes reguliert werden. Nach erfolgreicher Bindung von Fängerund Ziel-DNA, werden über einen enzymatischen Prozess Silbernanopartikel im gesamten Hydrogelvolumen (Abb. 1c-d) abgeschieden. Die positiven Bindungsereignisse können anschließend optisch anhand einer deutlichen Graufärbung der Spots und elektrisch basierend auf der gesteigerten Leitfähigkeit ausgelesen werden. In Abbildung 2 ist die Mikrofluidik-basierte Reaktions- und Auslesekammer dargestellt, die einen Weg hin zur Automatisierung der hier beschriebenen Analysemesskette aufzeigt. Abbildung 2: Mikrofluidikbasierte Reaktions- und Auslesekammer Aktuelle Forschungsstrategien zur Bekämpfung Implantat-assoziierter Infektionen Implantat-assoziierte Infektionen, die mit der Einbringung von Implantaten, Prothesen oder Kathetern in den menschlichen Körper einhergehen, stellen auch in der modernen Medizin ernstzunehmende Komplikationen dar. Das betrifft gleichermaßen den Hart- und Weichgewebebereich und ist insbesondere bei Endoprothesen, Dentalimplantaten und Osteosynthesematerialien zur Behandlung komplizierter Frakturen von großer Relevanz. In diesem Zusammenhang hat sich besonders der pathogene multiresistente Staphylococcus aureus (MRSA), zu einem Problemkeim entwickelt. Allein in Deutschland treten in Krankenhäusern jedes Jahr ca sogenannte nosokomiale (= Krankenhaus) Infektionen auf, wobei Infektionen tödlich verlaufen. Ca. 40 % dieser Infektionen werden unmittelbar mit dem Vorhandensein von Implantaten in Verbindung gebracht. Es besteht daher ein dringender Bedarf an der Entwicklung neuer Methoden zur Infektionsprophylaxe. Einen vielversprechenden Ansatz stellt dabei die Ausrüstung von Medizinprodukten mit antibakteriellen Schichten dar. Varianten antibakterieller Beschichtungen Man unterscheidet heute drei verschiedene Typen antibakterieller Beschichtungen: antiadhäsive, bakterizide und Biozid-eluierende Schichten. Während antiadhäsive Schichten die Adhäsion und damit Biofilmbildung von Bakterien auf der Substratoberfläche verhindern, ohne dabei die Keime selbst abzutöten, werden Bakterien beim direkten Kontakt mit bakteriziden Beschichtungen abgetötet. Typische Beispiele für antiadhäsive Beschichtungen sind Polyethylenglykolbasierte Systeme und für biozide Schichten synthetische organische Polymere mit quaternären Ammoniumfunktionen. Zu letzterem Beschichtungstyp gehören beispielsweise auch selbstreinigende Oberflächen auf der Basis von Titandioxid mit Anatas-Struktur, die aufgrund ihrer Halbleitereigenschaften sowie des oxidativen Verhaltens unter photokatalytischen Bedingungen eine hohe antibakterielle Aktivität z.b. gegen Pseudomonas aeruginosa aufweisen. Insgesamt muss aber eingeschätzt werden, dass beide genannten Typen antibakterieller Beschichtungen gegenwärtig noch eine geringe klinische Bedeutung besitzen, was momentan insbesondere an ihrer begrenzten Funktionsdauer liegt. Weiterführende Forschungsarbeiten zur Erhöhung der Effizienz und einer längeren antibakteriellen Wirksamkeit unter in vivo-bedingungen sind daher unerlässlich.

4 Der dritte Typ antibakterieller Beschichtungen, die Biozid freisetzenden Schichtsysteme, besitzen hinsichtlich ihres Einsatzes in der Klinik gegenwärtig die mit Abstand größte Relevanz. Prinzipiell zeichnen sich solche Schichtsysteme dadurch aus, dass sie einen antimikrobiellen Wirkstoff, eingebettet in ein organisches oder anorganisches Schichtsystem, enthalten und das dieser Wirkstoff nach Implantation über einen mehr oder weniger langen Zeitraum aus der Schicht freigesetzt wird und in der Umgebung des Implantats befindliche Keime abtötet. Im Folgenden sollen ausgewählte Schichtsysteme dieses Typs näher vorgestellt werden. Wirkstoff-freisetzende antibakterielle Beschichtungen In den letzten Jahren konzentrierte sich die Forschung zur antibakteriellen Ausrüstung von Oberflächen im Implantatsektor insbesondere auf eine retardierende Freisetzung von Antibiotika. Der Wirkstoff kann dabei kovalent an die Oberfläche gebunden, physikalisch adsorbiert oder in eine polymere Trägermatrix eingebettet werden. Für derartige Beschichtungen werden vorzugsweise solche Antibiotika eingesetzt, die bereits in der systemischen Infektionsbehandlung Verwendung finden, wie z. B. Gentamicin, Ampicillin, Ciprofloxacin, Metronidazol, Doxycycline, Erythromycin, Rifampicin oder Vancomycin. Als polymere Träger werden vor allem Polylaktone wie Poly-L- oder D,L-laktid, Polyglykolid, Polycaprolakton und aus diesen Materialien abgeleitete Copolymere genutzt. Vereinzelt finden auch nicht abbaubare Polymere wie Polyvinylalkohol, Polyhydroxyethylmethacrylat sowie Silikone Verwendung. Ohne polymere Trägerschichten kann eine Schichtvariante auskommen, bei der das herkömmliche wasserlösliche und nicht filmbildende Antibiotikum in ein gering wasserlösliches, filmbildendes Antibiotika-Fettsäuresalz umgewandelt wird [1]. Solche Antibiotikaschichten zeigen eine retardierende Wirkstofffreisetzung über mehrere Tage bis Wochen und lösen sich anschließend komplett auf. Anstelle von Antibiotika, von denen einzelne Vertreter bereits Resistenzerscheinungen gegenüber Problemkeimen zeigen, wird gegenwärtig auch der Einsatz von Silber- oder Kupferionen als antimikrobieller Wirkstoff diskutiert und ist in einzelnen Anwendungen auch bereits klinisch realisiert. Der Vorteil solcher Systeme ist darin zu sehen, dass bisher kaum Resistenzerscheinungen gegenüber Metallionen haltigen Systemen beobachtet wurden und eine Vielzahl von Verfahren existieren mit denen derartige Beschichtungen erzeugt werden Bakterielles ATP (rel. zu MWP) [%] CFU- Test: 0 können [2]. Der Nachteil, insbesondere von Silberhaltigen Schichten, ist in der teilweise beträchtlichen Toxizität gegenüber humanen Zellen zu sehen, so dass das Einsatzspektrum solcher Schichten begrenzt bleibt, und vor allem bei Implantaten, die im Körper dauerhaft einwachsen sollen (z.b. Endoprothesen) eher ausgeschlossen werden muss. Als weitere potentielle antimikrobielle Wirkstoffe werden gegenwärtig antimikrobielle, natürlich vorkommende Peptide und auch ausgewählte Radikalverbindungen (z.b. Stickstoffmonoxid) intensiv untersucht, ohne dass hier bereits klinisch relevante Systeme vorliegen. Hinsichtlich der einzusetzenden Trägermatrix werden zur Zeit Hydrogele basierend auf Biopolymeren wie Alginsäure, Kollagen, Hyaluronsäure, Dextran oder Chitosan erforscht. Der Vorteil dieser natürlichen Polymere liegt in ihrer hohen Bioverträglichkeit, der potentiellen Abbaubarkeit und in ihrer Polyfunktionalität. Mittlere ATP-Konzentration von E.coli durch BTG-Test an beschichteten Ti-G5-Probekörpern E.coli MWP Ti-NH2 P ODA ODA-S/G Abb. 1: BTG- und CFU-Test an beschichteten Ti-Probekörpern (E. coli: Kontrolle, MWP: Mikrowellenplasmaaktivierung; Ti-NH2: Aminotitanat, P: Phosphomycin, ODA: Octadecylaminderivat; ODA-S/G: ODA-Sol/Gel

5 Damit lassen sich die genannten Biopolymere gezielt physikalisch oder chemisch modifizieren und hinsichtlich ihres Eigenschaftsspektrums an den jeweiligen Einsatzzweck anpassen. Ein aktuelles Beispiel aus dem WK BASIS betrifft antibakterielle Beschichtungen für Titan-implantate. Beschichtet wurden Titan-Probekörper mit ausgewählten Beschichtungen, die in den üblichen Testverfahren (BTG- und CFU-Test) eine hohe antibakterielle Wirksamkeit aufwiesen. [1] S. Vogt, et al.: Materialwiss. u. Werkstofftechn. 36 (2005), [2] R. Zimmermann et al.: Plasma Proc. Polym. 8 (2011), Mikrostrukturierung Printing von Biosensoren Printing Techniken werden in verschiedenen Varianten dazu genutzt, Strukturen im Mikrometerbereich auf Substraten zu erzeugen. Diese Techniken bieten die Möglichkeit, durch diese Strukturen Oberflächen zu funktionalisieren. Auf diese Weise können zum Beispiel Biosensoren hergestellt werden. Ein weiterer Anwendungsbereich liegt in der Medizintechnik, wo Oberflächen durch Benetzen mit Proteinen Eigenschaften erhalten, die für die Reaktionen der Gewebe oder des Blutes auf das Implantat wichtig sind. Im Rahmen des WK BASIS arbeitet das Institut für Materialwissenschaft der FSU Jena an der Herstellung eines strukturierten Polymersubstrats für die Anwendung im Bereich Biosensoren. Dabei wurden zwei Printing Techniken, nämlich Mikrokontakt-Printing (µcp) und Hot-Embossing-Lithography, genutzt. Mikrokontakt-Printing ist ein Strukturierungsverfahren, das für die Strukturierung/Funktionalisierung von Biomaterialoberflächen bzw. für das örtlich selektive Aufbringen von funktionellen Materialien (Tinte) auf Materialoberflächen entwickelt wurde. Im Rahmen des WK BASIS verwendet das IMT dieses Strukturierungsverfahren, um auf Polypropylen und Polycarbonat Substrate eine strukturierte Haftvermittlerschicht aus Polyethylenimin (PEI) zu erzeugen. Diese Schicht bietet die Möglichkeit, ein von BASIS-Partnern entwickeltes Hydrogel einzukoppeln. Die besondere Herausforderung liegt in der mikrometergenauen lateralen Positionierung zwischen der strukturierten PEI-Schicht und den bereits vorhandenen Elektroden. Für die Anforderungen des WK BASIS an Materialien und Design müssen die µcp-anlage und das Verfahren modifiziert werden. Abb.1 zeigt das Gerät, das aktuell am IMT gebaut und in Betrieb genommen wurde. Ein erfolgreich durchgeführtes Printing der Haftvermittlerschicht auf dem Sensorsubstrat aus Polykarbonat ist in Abb.2 dargestellt. Hot-Embossing-Lithographie (Heißprägen) wurde am IMT eingesetzt, um die Sensorsubstrate vorzubehandeln. Damit werden die Polykarbonat und Polypropylen Folien in einem Prozessschritt geglättet und mit den makro-/mikroskopische Positionierungsmarkierungen versehen. Abb.3 zeigt ein mit Heißprägen strukturiertes Polymersubstrat. Abbildung 1. Mikrokontakt-Printing Abbildung 2. PEI gestempelt auf Sensorsubstrat mit Metallelektroden. Abbildung 3. Polypropylenfolie strukturiert mit Hilfe von Heißprägen.

6 WK BASIS IM FILM Der Wachstumskern BASIS ist nun filmreif: 2013 entstand ein Werbefilm über die Tätigkeiten des Verbundes gemeinsam mit Frau Dahl (PRpetuum GmbH) und unterstützt durch das BMBF. Öffentlichkeitswirksam präsentierte sich so der Wachstumskern BASIS in Ilmenau mit dem Titel Schneller analysieren besser therapieren. WK BASIS Rückblick erleben. Hier präsentierte sich auch der Wachstumskern BASIS und stellte seine Ergebnisse aus der Forschung und Entwicklung einem breiten Publikum vor. Unter dem Motto Glanzlichter 2013 lernten die Besucher die Eigenschaften der Hydrogele und deren vielfältigen Applikationen kennen und erhielten Einblick in die Aktivitäten der beteiligten Unternehmen und Forschungspartner. tentstrategie im Bündnis auf. Ein Grundstein dazu wurde bei einem Meeting am 10. April 2013 bei der TETRA Ilmenau GmbH gelegt. Als Vortragende konnten Vertreter des Landespatentzentrum Thüringen PATON gewonnen werden. Informiert und diskutiert wurde zum Patentwesen (Grundlagen, Anmelde- und Erteilungsverfahren), Patentmanagement und gemeinsame Patente im Wachstumskern. PUBLIC RELATIONS Der Wachstumskern wurde auf folgenden Veranstaltungen durch Poster und Vorträge präsentiert: Ausschnitt aus dem Werbefilm GLANZLICHTER 2013 Die Technische Universität Ilmenau, die Stadt Ilmenau und die Technologie Region Ilmenau Arnstadt luden am 25. Mai 2013 ein zur vierten Auflage der Langen Nacht der Technik. Rund Besucher aus Ilmenau, dem Umland und ganzen Bundesgebiet nutzten die Gelegenheit, eine Mischung aus gleichberechtigten Präsentationen von Technik, Wissenschaft und Kultur zu Lange Nacht der Technik, PATENTSTRATEGIE Die Forschungen im Rahmen des Wachstumskerns BASIS sind inzwischen in vielen Bereichen fortgeschritten und führen zu ersten vielversprechenden Ergebnissen. Dies wirft erwartungsgemäß die Frage nach einer Verwertungs- und Pa - 246th ACS National Meeting & Exposition, September 08 12, 2013, Indianopolis, USA - 9. Thüringer Biomaterialkolloquium vom im Bio-Seehotel in Zeulenroda - Dreiländertagung der Deutschen, Schweizerischen und Österreichischen Gesellschaft für Biomedizinische Technik, Graz, th European Conference on Biomaterials, , Madrid - Symposium Euro BioMAT 2013, , Weimar Zusätzlich erfolgte die Erstellung von 4 gemeinsamen Publikationen aus dem Konsortium. 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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