Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Descemet-Struktur zur Gewinnung von Implantaten aus patienteneigenen Stammzellen

Die Descemetmembran ist eine Schicht in der Hornhaut des Auges. Durch lithographische Nachbildung der hexagonalen Struktur dieser Membran können aus patienteneigenen Stammzellen corneale Endothelzellen für die Implantatherstellung gewonnen werden.

© Fraunhofer IPT

Mit 2-Photonen-Polymerisation kleine Strukturen mit großer Wirkung fertigen

Die Zwei-Photonen-Polymerisation ist ein generatives Verfahren mit möglichen Linienbreiten und -höhen unterhalb der Beugungsgrenze. Durch den physikalischen Effekt der Zwei-Photonen-Absorption in einem photosensitiven Polymer lassen sich nahezu beliebige Geometrien erzeugen. Dies geschieht durch eine Relativbewegung zwischen einem fokussierten Laserstrahl und der Probe, bestehend aus einem Substrat und einem flüssigem Photopolymer. Das Polymer vernetzt ausschließlich in einem volumetrischen Pixel, dem sogenannten Voxel, innerhalb des Laserfokus.

Abhängig von der eingestellten Laserleistung und dem verwendeten Polymer sind Linienbreiten ab 150 nm und Linienhöhen ab 400 nm möglich; die Auflösung des Positioniertischs liegt bei 5 nm. Um Strukturen in bis zu drei Dimensionen herzustellen, werden die Bahnen, die der Laser scannen muss, durch eine Datei vorgegeben. Das Fraunhofer IPT nutzt das Gerät »Photonic Professional GT« des Unternehmens Nanoscribe GmbH.

© Fraunhofer IPT
Individuelles Prismenarray zur Darstellung von Schriftzügen

Das Fraunhofer IPT ist traditionell dem Werkzeugbau eng verbunden. Komplexe Geometrien und Kombinationen aus indivdiuellen Krümmungen und einer Mikro- oder Nanostrukturierung können die Funktionalität und Effizienz optischer Systeme deutlich verbessern. Jedoch werden etablierte spanende oder lithographische Verfahren den modernen Designprogrammen häufig nicht mehr gerecht.

Deshalb hat es sich das Fraunhofer IPT zum Ziel gesetzt, die Zwei-Photonen-Polymerisation als Masteringtechnologie für etablierte Abformverfahren wie den Spritzguss, das Präzisionsblankpressen oder Rolle-zu-Rolle-Verfahren zu etablieren. Ien verschiedenen Verbundprojekten wurde die gesamte Prozesskette vom Optikdesign bis hin zur Replikation in Kooperation mit verschiedenen Unternehmen abgebildet, um eine anwendungsnahe Forschung und Entwicklung zu garantieren.

Auch in der Biologie findet das Verfahren Anwendung: Im institutseigenen Biolabor wurde die Descemetmembran, eine Schicht in der Hornhaut des menschlichen Auges, nachgebildet. Nach Abformung dieser Struktur in ein Biomaterial differenzierten humane Stammzellen darauf in corneale Endothelzellen. Dies ermöglicht die Herstellung von Implantaten auf Basis patienteneigenen Materials, sodass Abstoßungsreaktionen vermieden werden und ein Mangel an Spender-Implantaten künftig durch patienteneigenes Material umgangen werden kann. Mit cornealen Endothelzellen lässt sich die Krankheit der cornealen Trübung heilen, an der jährlich und weltweit knapp zwei Millionen Menschen erblinden. Ein weiteres Beispiel ist das auf dem Bild gezeigte individuelle Prismenarray (designed von dem Unternehmen LightTrans International UG mit der Software VitualLab Fusion). Je nach Anordnung der Einzelprismen stellt die Struktur Schriftzüge dar oder projiziert weiße Flächen.

Unser Leistungsangebot

  • Machbarkeitsstudien zu individuellen Strukturgeometrien
  • Parametertests zur Optimierung individueller Strukturen
  • Herstellung von Strukturen auf Flächen bis zu 1 cm²
  • Abformung der Strukturen in Silikon oder Nickel, in bis zu 2,5 Dimensionen
  • Strukturierung von Faserendflächen

Anwendungen

LED-basierte Beleuchtungsanwendung

Effizientere Lichtlenkung, Projektion von Schriftzügen und Reduktion von Abbildungsfehlern, zum Beispiel für die LED-Beleuchtung im Automobil oder an Gebäuden. Die Integration in eine Prozesskette zur Abformung ist möglich.

Implantatherstellung

Forschung für die Implantatherstellung aus patienteneigenen Stammzellen, um Abstoßungsreaktionen zu verhindern und einen Mangel an Spendermaterial auszugleichen. Neue biologisch funktionale Strukturen zu identifizieren ist uns ein stetes Anliegen.

Messtechnik

Mit hochgenauem messtechnischem Equipment unterstützen wir Ihr Unternehmen beim Qualitätsmanagement und helfen, Ihre Fertigungsprozesse zu verbessern.

Projekte

LithoStrukt

Herstellung mikrostrukturierter Werkzeuge für die Replikation von Hybrid-Optiken mittels 3D-Laserlithographie.

LithURep

Herstellung nanostrukturierter Masterwerkzeuge mittels 3D-Laserlithographie für die UV-Replikation diffraktiver optischer Elemente.

LithoDesc

Zur Heilung bestimmter Hornhauterkrankungen untersucht das Fraunhofer IPT Mikrotopographien ähnlich der Descemet-Membran, mit dem sich autologe Transplantate aus den Zellen des Patienten herstellen lassen.