Neue Generation laserbasierter Oberflächenfunktionalisierung für verbesserte Biokompatibilität

Die SurFunction GmbH aus Saarbrücken nutzt innovative laserbasierte Technologien basierend auf der preisgekrönten direkten Laserinterferenzstrukturierung (Direct Laser Interference Patterning, DLIP). Mit Hilfe der nächsten Technologiegeneration dieses Verfahrens, die ELIPSYS®-Klasse, können Oberflächen in Rekordzeit und kostengünstig "programmiert" werden; inspiriert von der Anpassungsvielfalt der Natur. Das junge Unternehmen bietet maßgeschneiderte Lösungen für Produkteentwickler verschiedener Branchen, um deren Angebote und Prozesse zu verbessern und dabei Ressourcen zu schonen.

Gerade in der Medizintechnik stellen materialassoziierte Infektionen ein wichtiges klinisches Problem dar. Mikroorganismen werden - häufig unvermeidlich - während einer Operation mit Instrumenten in die Operationswunde eingeführt, wodurch ein Wettlauf um die Besiedelung zwischen biofilmbildenden Bakterien und gewünschter Gewebeintegration beginnt. Eine Vielzahl von Studien zeigt, wie Biofilme Implantatoberflächen negativ beeinflussen und Infektionen fördern. Bei 65% der Infektionen sind Biofilme beteiligt und somit Mitverursacher von 80% der chronischen Erkrankungen (Flores et al. 2022). Mit DLIP konnte eine bessere Beeinflussung der Zellaktivität von Problemkeimen, wie zum Beispiel dem Pseudomonas aeruginosa, um mindestens 16% nachgewiesen werden (Zwahr et al. 2017). Die Mikrooberflächen können dabei nachweislich die Anhaftung und das Biofilmwachstum behindern (Valle et al. 2015), womit die periodischen Strukturen eine wichtige Rolle bei der Besiedelung und dem Verbleib von Bakterien auf der Oberfläche spielen (Helbig et al. 2016).

Diese Biofunktionalisierung ermöglicht eine Unterscheidung zwischen der Anziehung von gewünschten und dem Fernhalten von nicht gewünschten Zelltypen, und bildet damit einen vielversprechenden Ansatz zur Verbesserung der Biokompatibilität, ohne die eigentlichen Materialeigenschaften zu verändern (Schieber et al. 2022). Adhäsion, Migration und Proliferation von Zellen konnten dabei einerseits allein durch topographische Anpassung der Oberfläche beeinflusst werden (Schieber et al. 2022). Andererseits können zusätzlich ausgewählte biofunktionale Moleküle auf die Oberfläche aufgebracht werden, um deren Wirkung zusätzlich zu unterstützen, beispielhaft ist hier die Endothelialisierung gegen Thrombosenbildung, oder die Unterstützung der Ausdifferenzierung von Fibroblasten in Osteoblasten genannt (Schieber et al. 2017, Minguela et al. 2021). Da jedoch allein schon mit der topographisch veränderten Oberfläche eine effektive Wirkung erzielt wird, kann auf die Zusatzbeschichtung auch verzichtet werden, dies um Barrieren für die regulierte Zulassung zu vermindern.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten für ELIPSYS® ergeben sich aus der Regulierung zum Verbot von Problemsubstanzen wie PFAS (Per- und Polyfluoralkylsubstanzen), die aufgrund ihrer Beständigkeit, Biokompatibilität sowie thermischer, elektrischer und chemischer Stabilität in einer Vielzahl von Medizinprodukten derzeit verwendet werden. Das betrifft gleitfähige Oberflächen von Kathetern und minimalinvasiven Instrumenten, sowie medizinische Geräte, und auch einfaches OP-Material.

Ausblick: Zellstudien mit ELIPSYS® bringen klinisch relevante Erkenntnisse für die Zukunft, die sich auch ins Weltall übertragen lassen: Forschung mit ELIPSYS®, die auf der ISS Raumstation durchgeführt wurde, könnte zukünftige antimikrobielle Materialien für den Weltraumeinsatz inspirieren (Mueller et al. 2021, Sims et al. 2022). Denn die Gefahr der Biofilmbildung ist unter Weltraumbedingungen bis zu 5-mal höher als auf der Erde. Das Wachstum der Weltraumbakterien verläuft hier schneller, während sie höhere Resistenzen gegen Desinfektionsmittel und andere Dekontaminationsstrategien aufweisen (Zea et al. 2018).

Ausführliche Literatur auf Anfrage erhältlich.