Vorlaufforschung

Die Fraunhofer-Gesellschaft fördert mit ihren internen Programmen die vorwettbewerbliche Vorlaufforschung.
Hier ein paar kurze Notizen zu ausgewählten aktuell laufenden Projekten.

Bereits 2014 erklärten die Vereinten Nationen die sinkende Wirksamkeit der Antibiotika zu einer „ernsthaften Bedrohung“ für die globale Gesundheit. Allein in der EU erkranken jährlich ca. 670.000 Menschen an antibiotikaresistenten Erregern, die überwiegend über eine Wunde im Rahmen einer medizinischen Behandlung in den Organismus gelangen, in ca. 5 % der Fälle mit tödlichen Folgen. Um nachhaltig effiziente Therapien insbesondere chronischer Wunden aufgrund von Dekubitus, Diabetes, Durchblutungsstörungen etc. zu ermöglichen, bedarf es eines disruptiven Umbruchs zu intelligenten, individuell kombinierbaren Therapiekonzepten ohne die Möglichkeit der Resistenzbildung durch Bakterien.

Das Projekt zielt darauf ab, wissenschaftlich anerkannte antimikrobielle Peptide (AMPs) aus Wundmaden (Lucilia sericata) mit einem patentierten und marktzugelassenen resorbierbaren Wundvlies auf Kieselgel-Basis als Trägermaterial (ISC) zu kombinieren, um so innovative Medizinprodukte für die Wundheilung zu entwickeln. Hierfür müssen Prozesse für die rekombinante Produktion von AMPs aus der Wundmade im GMP-konformen industriellen Maßstab entwickelt werden (IME-BR). Die Evaluierung der Peptid-modifizierten Wundeinlagen erfolgt in einem bereits etablierten 3D in-vitro Wundmodell (ISC).

Die Kombination von bioaktiven Peptiden aus Insekten mit am Markt zugelassenen regenerativen Wundeinlagen repräsentiert eine bahnbrechende Produktinnovation, und führt sowohl zu einer signifikanten Therapieverbesserung als auch zu einer ökonomischeren Wundversorgung.

Entwicklungspartner werden vor allem deutsche und europäische KMUs sein, die den Markt für die Wundversorgung und Medizinprodukte prägen.

Projektleitung: Andreas Vilcinskas (IME-BR)

Die natürliche Zahnkrone besteht aus dem harten Zahnschmelz (Enamel) an der Oberfläche und dem weicheren Dentin im Inneren. Dieser Aufbau bewirkt nicht nur die natürliche Optik des Zahns, sondern auch einen komplexen Schutz vor mechanischen Schädigungen. Die aktuell eingesetzten Restaurationen sind durchweg monolithisch aufgebaut und gehen auf die Zahnschmelz-Dentin-Struktur nicht ein. Gerade als Implantat-Überstruktur sind monolithische Restauration, aufgrund der fehlenden Dämpfungseigenschaften problematisch und können zum Verlust von Implantaten führen.

Die Idee dieses SME-Antrags ist es, die natürliche Struktur des Zahnes biomimetisch nachzustellen. Hierfür stehen am Fraunhofer ISC zwei Dentalmaterialsysteme, die harten Lithiumsilicat-Glaskeramiken und die weicheren ORMOCER^®e zur Verfügung, die entsprechend den Zahnschmelz bzw. Das Dentin ersetzen können. Während die intrinsischen Eigenschaften der jeweiligen Materialpaare gut miteinander verglichen werden können, stellt die Grenzfläche eine größere Herausforderung dar. Um die Dentin-Enamel-Junction DEJ nachzustellen, muss die Grenzfläche zwischen Glaskeramik und ORMOCER^® detailliert entwickelt werden (Rauigkeit, Vorbehandlung, Adhäsiveinsatz, …).

Das Ziel ist die Nachstellung des natürlichen Zahnaufbaus durch die Verwendung von Glaskeramik als Zahnschmelz- und ORMOCER^® als Dentin Ersatz mit dem Fokus auf der Grenzflächenoptimierung (Dentin- Enamel-Junction). Anhand von bruchmechanischen Untersuchungen wird dies an entsprechenden Demonstratoren gezeigt.

Als direkter Abnehmer der Projektergebnisse kommen die dem ISC gut bekannten Hersteller von Dentalmaterialien und Implantatsystemen, wie zum Beispiel die DeguDent GmbH (DentsplySirona) in Frage, um die Anlagen und Halbzeuge für den Dentalmarkt zur Verfügung zu stellen. Den Hauptumsatz werden die nachgeschalteten, meist mittelständigen Dentallabore und Zahnarztpraxen generieren.

Projektleitung: Dr. Bernhard Durschang (ISC)

Aktuell besteht eine weiter zunehmende Translation des Tissue-Engineerings in die regenerative Medizin, zusätzlich nimmt die Verwendung von Versuchstieren für das Screening von Arzneimitteln und anderen Substanzen stetig ab durch eine zunehmend restriktiver werdende Legislation. Daher besteht ein zunehmender Bedarf an in vitro hergestellten Geweben, die für die Implantation sowie für in vitro- Screening-Systeme verwendet werden. Zur Qualitätskontrolle der gezüchteten in vitro Gewebe werden bisher destruktive Methoden angewendet, welche einerseits mit einem hohen Kosten- und Zeitaufwand einhergehen und zum anderen weder eine dauerhafte Überwachung von Strukturveränderungen erlauben noch eine zuverlässige Beurteilung des gesamten Gewebes zulassen.

Aus diesem Grund soll das Projekt INVITROCT das Potential der Optischen Kohärenztomographie (OCT) als nichtinvasives und effizientes Qualitätsüberwachungstool für in vitro Gewebe aufzeigen. Hierfür sollen für verschiedene Gewebsmodelle mittels systematischer Untersuchungen Qualitätsmarker in OCT-Daten identifiziert und anhand von Validierungsmessungen hinsichtlich ihrer Aussagekraft überprüft werden. Auf Basis dieser Ergebnisse soll ein Analysetool entwickelt werden, welches OCT-Aufnahmen von in vitro Gewebe automatisiert hinsichtlich der Qualität beurteilt und damit durch zahlreiche Endanwender im Bereich des Tissue Engineering und regen genutzt werden kann. Die Befähigung der OCT als kostengünstigere und zuverlässigere Alternative zu bisherigen aufwendigen Prüfverfahren soll vor allem KMUs den Zugang zu Herstellung von Arzneimittel für neuartige Therapien (Advanced Therapy Medical Products, ATMPs) und in vitro Modellen vereinfachen, sowie neue Analysemethoden für Auftragslabore ermöglichen. Der erfolgreiche Projektabschluss von INVITROCT würde einen Innovationssprung in der Qualitätssicherung von in vitro Gewebe basierenden Produkten bedeuten. Von einer analogen, invasiven, punktuellen und zeitaufwändigen Qualitätssicherungsmethode hin zu einer digitalen, kontaktlosen, nichtinvasiven und skalierbaren.

Projektleitung: Dipl.-Phys. Niels König (IPT) 

Grünem Wasserstoff kommt hinsichtlich des Klimawandels und der infolgedessen notwendigen Transformation zu CO₂-freien bzw. CO₂-neutralen Verfahren eine essentielle Schlüsselrolle zu. Die Wasserelektrolyse ist die Methode der Wahl zur Produktion von grünem Wasserstoff. Neben der noch zu optimierenden Effizienz führt die Kritikalität der verwendeten Katalysatormaterialien zu einem kritischen Versorgungsengpass. Zurzeit werden fast ausschließlich Platin, Iridium und Ruthenium als Katalysatormaterialien bei der Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse) verwendet. Schon heute übersteigt die Nachfrage nach diesen Edelmetallen das Angebot und die Verfügbarkeit stammt dabei überwiegend aus Ländern mit schwierigen politischen oder menschenrechtlichen Situationen. Dieses Problem wird sich mit dem Ausbau der Produktionskapazitäten zur Deckung des prognostizierten Bedarfs an grünem Wasserstoff in den kommenden Jahren deutlich zuspitzen. Bislang konnten noch keine alternativen Materialien mit identisch guten bzw. besseren Eigenschaften entwickelt werden. Zur Lösung des Problems kann allerdings auch eine deutliche Reduktion der benötigten Katalysatormenge beitragen.

Das Projekt Q-Elec setzt an diesem Punkt an. Durch den Einsatz eines neuartigen Materials soll die benötigte Menge an kritischen Edelmetallen auf ein äußerst geringes Niveau (von 0.5–1 mg/cm² auf unter 10 µg/cm²) herabgesetzt werden. 

Zudem wird durch die geschickte Anordnung von Metallen auf Nanoebene die Möglichkeit untersucht, Platinmetalle durch andere, nicht-kritische Materialien bei gleichzeitigem Erhalt der Leistungsfähigkeit zu ersetzen. Im Laufe des Projekts sollen neben dem „Proof-of-Principle“ für die Eignung als Katalysatormaterial zur Herstellung von Wasserstoff mittels Wasserelektrolyse auch weitere potentielle, zukunftsträchtige Anwendungsbereiche identifiziert werden. Diese Aufgabe übernimmt das Innovationsforschungsinstitut Fraunhofer INT als Kooperationspartner des Fraunhofer ISC.

Projektleitung: Dr. Marina Gárdonyi (ISC)

Wie lässt sich Sonnenenergie mit technischen Mitteln besser speichern als bisher? In Zeiten steigender Energiepreise und sinkender Innenraumtemperaturen in der Heizperiode eine fast schon existenzielle Frage. Die Wärmeeinstrahlung der Sonne steht praktisch überall auf der Welt zur Verfügung und kann mit thermischen Solarkollektoren eingefangen werden. Aber es bestehen starke regionale und saisonale Schwankungen und die Wärme wird meist zu anderen Zeiten benötigt, als sie im Überfluss zur Verfügung steht. Das DISCOVER Projekt UnderPressure will nun mit einem unkonventionellen Lösungsansatz Sonnenwärme speichern und leicht wieder verfügbar machen.

Kern der Projektidee ist die Nutzung von sogenannten Phasenwechselmaterialien. Das sind Materialien, die in einem bestimmten Temperaturfenster durch eine Phasenumwandlung zwischen fest und flüssig Wärmeenergie aufnehmen und wieder abgeben können. Dieses Prinzip ist an sich nichts Neues, hat sich aber bislang technisch nicht breit durchsetzen können. Gründe dafür sind vielfältig. Paraffine z. B. zeigen dieses Verhalten, sind jedoch brennbar und deshalb nur in kleineren Mengen oder unter besonderen Sicherheitsvorkehrungen einsetzbar. Wärme lässt sich auch in bestimmten Salzhydraten chemisch-physikalisch speichern, nach Bedarf wieder abgeben und transportieren. Sie haben gegenüber Paraffinen den Vorteil, dass sie nicht brennbar und relativ kostengünstig sind. Salzhydrate sind jedoch feuchteempfindlich und müssen deshalb geschützt, also z. B. dicht verkapselt werden. Dies ist aber wegen der Volumenänderung beim Phasenübergang äußerst schwierig zu realisieren.

UnderPressure setzt genau gegenläufig an. Statt die Verkapselung möglichst dicht zu machen und dadurch störungsanfällig, wird eine spezielle Hülle entwickelt, die einen flexiblen Ausgleich erlaubt und so die Funktion der Salzhydrate nachhaltig vor Feuchte schützt. Damit sollen auch die Einsatzmöglichkeiten erweitert werden – vom Dauereinsatz unter Wasser bis zum Erdtank im Garten. Die verwendeten Materialien sollen sich durch hohe Temperaturwechselbeständigkeit, gute Wärmeübertragung, hohe Energiedichte und einfache Skalierbarkeit der Herstellung auszeichnen.

Fraunhofer ISC und IEG wollen mit dem DISCOVER-Projekt die Machbarkeit am Beispiel eines verkapselten Salzhydrates in wässriger Umgebung zeigen. Im Fokus stehen dabei die drei Komponenten Kapselinhalt, Verkapselungsmaterial und Umgebung. Damit sollen in Zukunft einfach zu handhabende, zu transportierende und zu lagernde Phasenwechselmaterial-Systeme erzeugt werden können, die helfen, die Sonnenwärme besser zu nutzen und CO₂ einzusparen.  

Projektleitung: Dr. Benedikt Schug (ISC)
 

Hochempfindliche Sensoren, wie beispielsweise Bulk und Surface Acoustic Wave Sensoren oder mikromechanische Sensoren erfordern zum Schutz der empfindlichen Funktionskomponenten in der Regel für das Packaging eine stabile Verkapselung. Die hierfür notwendige Prozesstechnik muss dabei in der Lage sein, Unebenheiten, wie Kontakt-Leiterbahnen und Vertiefungen auf den Substratmaterialien auszugleichen und gleichzeitig die sensorischen Funktionskomponenten thermisch und mechanisch nicht zu beeinflussen. Zum Einsatz kommen hier Zwischenschicht-basierte Verkapselungsprozesse, wie beispielsweise das Eutektische Bonden und das Glaslot-Bonden. Bei den genannten Verfahren werden die Bauteile im Rahmen der jeweiligen Prozesskette mit einer hohen Fügetemperatur beaufschlagt. Zum Schutz temperatursensibler Strukturen und sensorischer Funktionswerkstoffe sind hier vor dem Hintergrund zunehmender Miniaturisierung und Integrationsdichte Prozesse mit nur minimaler Wärmebelastung gefragt.

Ziel des geplanten Projektes ist die Entwicklung einer durchgängig laserbasierten Prozesskette, bei der der momentane für das Glaslöten übliche ofenbasierte Trocknungs- und Vorverglasungsschritt eliminiert und durch eine selektive Laserbestrahlung ersetzt wird. Mit einem berührungslosen und ortsaufgelösten Inkjetbasierten Lotauftrag wird ein flexibler und selektiver Lotschichtaufbau möglich, der die Einebnung von Gräben und Leiterbahnen im Fügebereich erlaubt. Damit kann der in der Regel verwendete Planarisierungsschritt entfallen und die Prozesskette verkürzt werden. Gleichzeitig kann mit diesem Ansatz ein gradueller Ausgleich der Ausdehnungskoeffizienten erfolgen, so dass interne Spannungen im Bauteil reduziert werden. Das bereits etablierte laserbasierte Glaslot-Bonden schließt die Prozesskette ab.

Als Ergebnis dieses Projektes steht ein Verkapselungsverfahren mit einer rein laserbasierten Prozesskette, die sich durch einen selektiven, lokalen Wärmeenergieeintrag in Kombination mit einer selektiven, ortsaufgelösten Drucktechnologie für den Lotauftrag auszeichnet. Zum Projektende fließen die Ergebnisse der Entwicklungsarbeiten in die Herstellung eines Technologiedemonstrators, der zur Vermarktung und Verwertung der Projektergebnisse genutzt wird.

Im Fokus der Verbreitung der neuen Technologie steht die überwiegend mittelständisch geprägte Sensorindustrie bzw. deren Maschinenzulieferer für Fügetechnologien.

Projektleitung: Dr. Alexander Olowinsky (ILT)