Ziel der Entwicklung
Die Zielstellung des FuE-Vorhabens besteht in der Entwicklung einer Gefriertrocknungsanlage zur Umsetzung des am ILK Dresden entwickelten MBIT-Verfahrens. Das Funktionsmuster vereinigt die beiden für das Verfahren nötigen Prozessschritte „Einfrierung“ und „Gefriertrocknung“ in einem Gerät. Die Innovation besteht dabei in der Kopplung der beiden Funktionsschritte in einer Vakuumkammer und der Möglichkeit der Absenkung des Probenkorbes auf die beheizbare Stellfläche, so dass die bisher nötige Verwendung von zwei separaten Geräten (Laboreinfriergerät und Gefriertrockner) entfällt.
Das patentierte MBIT-Verfahren (Model Based Ice Templating) basiert auf dem Prinzip einer definierten Kälteapplikation auf gelöste Biopolymere mit dem Ziel der Erzeugung einer definierten Eisstruktur, die nach der Trocknung ein dreidimensionales Trägermaterial mit bedarfgerechten Eigenschaften (Struktur, Porengröße, Stabilität) bilden. Diese Materialien finden als Trägermaterial in der Zell- und Gewebekultur, als implantierbares Biomaterial und als Matrixmaterial in dreidimensionalen Gewebetestsystemen (zum Beispiel für In vitro-Prüfungen als Alternative zum Tierversuch) Verwendung.
Vorteile und Lösungen
Mit dem am ILK Dresden entwickelten und patentierten MBIT-Verfahren (Model Based Ice Templating) können hochporösen, dreidimensionale Matrices mit definierten Porenstrukturen aus wässrigen Biopolymersuspensionen erzeugt werden. Dabei können neben der Porengrößen (im Bereich zwischen 50 und 500 Mikrometer) die Porenform (tubulär gerichtete Poren oder polygonale Poren), die Lage einer Sperrschicht zur Abgrenzung des oberen und unteren Strukturbereiches und die Porosität gezielt eingestellt werden. Durch die softwaregestützte Auswahl von Suspensions- und Verfahrensparametern wird im Einfrierschritt das Eiswachstum gezielt gesteuert. Das ausgefrierende Wasser führt zu einer Konzentration der festen Suspensionsbestandteile zwischen den entstehenden Eiskristallen, die spätere Porenstruktur entsteht. Im Trocknungsschritt wird das Eis direkt in Wasserdampf überführt (Sublimation), die im Einfrierprozess gebildete Struktur bleibt erhalten. Das im FuE-Projekt „Innovative Gefriertrocknungsanlage mit MBIT“ entwickelte Funktionsmuster kombiniert die beiden bisher getrennten Prozessschritte „Strukturerzeugung“ und „Strukturerhaltung“ in einem Gerät und stellt damit eine technische Komplettlösung für das MBIT-Verfahren zur Verfügung. Um unterschiedliche Abkühlraten auf Probenober- und Unterseite während des strukturerzeugenden Schrittes zu ermöglichen, ist eine beidseitige konvektive Kälteapplikation notwendig. Die Trocknung erfordert einen verminderten Kammerdruck und die Zuführung der Sublimationsenergie in Form von Wärme an die Probe. Das realisierte Konzept basiert auf einem beweglichen Probenkorb, der in der Höhe verstellbar ist und auf die Stellfläche abgesenkt werden kann. Die Nuten in der Stellfläche nehmen die Streben des Probenkorbs auf, so dass das Trocknungsgut direkten Kontakt zur Stellfläche hat. Mit dem innovativen Gefriertrockner ist neben der Steuerung struktureller Eigenschaften bei der Erzeugung von Biopolymermatrices auch einie produktschonende Trocknung von technischen Enzymen oder Blutplasma möglich.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Überführung der Projektergebnisse zur Herstellung von definierten Strukturen für die Anwendung als Zellkultur- oder Wundversorgungsmaterial soll mit Firmen aus dem Bereich der Biomaterialentwicklung erfolgen. Insbesondere eine definierte Freisetzung von Wirkstoffen durch geeigente Biomaterialstrukturen steht dabei im Fokus. Parallel dazu werden weitere Optimierungen an der Gefriertrocknungsanlage und der Steuersoftware vorgenommen, um die Bedienerfreundllichkeit zu verbessern. Durch die anwendungsspezifisch anpassbaren Parameter der Einfrierung und der Trocknung können individuelle Vorgaben potentieller Transferpartner bei der Umsetzung der jeweiligen Anwendung erfüllt werden.