Ziel der Entwicklung

Logo:  Eingesetzte Automatisierung im Projekt, Modifizierte UR5 Roboter mit TIGRES MEF Plasmaanlage für die Mehrstoffbeschichtung.
Eingesetzte Automatisierung im Projekt, Modifizierte UR5 Roboter mit TIGRES MEF Plasmaanlage für die Mehrstoffbeschichtung.

Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt (FuE) hat das übergeordnete Ziel, eine innovative, nicht nasschemische Abscheidungsmethode für haftfeste, abrasiv beständige Schichten aus nativem Kollagen im Nanometerbereich mittels niedertemperatur Atmosphärendruckplasma zu entwickeln. Die Zusammenarbeit mit dem Forschungsinstitut für Leder und Kunststoffbahnen FILK ist entscheidend, um folgende Ziele zu erreichen:
1. Abscheidung von reinem Kollagen (Gelantine): Einsatz verschiedener Plasmasysteme und Arbeitsgase. Abscheidung reiner Kollagenschichten auf verschiedenen Substraten wie Kunststoffen, Metallen und Keramiken.
2. Abscheidung von Mischschichten aus Kollagen und Siliziumdioxid: Erreichen von Zielschichtdicken von 100 bis 300 nm. Verwendung nativen Kollagens für hohe mechanische und chemische Stabilität. Hierarchischer Aufbau der Schichten: Kollagenmoleküle, Fibrillen, Fasern, Faserbündel. Identifizierung notwendiger Kollagenkonzentrationen im Precursor und in den Schichten für spezifische Anwendungen.
3.Überprüfung der hergestellten Schichten: Evaluierung von Kollagenqualität, Veränderungen, Bioabbaubarkeit, Degradation, Oberflächenstrukturen. Untersuchung des Zellantwortes und Sterilisationstechniken in Zusammenarbeit mit FILK.
4. Herstellung von Kollagen-Isolaten in benötigter Qualität und Menge: In Zusammenarbeit mit FILK werden Kollagen-Isolate in erforderlicher Qualität und größerer Menge hergestellt.
5. Vergleich mit Stand der Technik: Darstellung der historischen Entwicklung in der Immobilisierung von Enzymen und Zellen. Betonung der Probleme und Herausforderungen bisheriger Technologien, insbesondere der SolGel-Technologie. Hervorhebung der Komplexität und Handhabungsprobleme bei der Erzeugung von silikatischen Schichten mit eingelagertem oder modifiziertem Kollagen.
6.Technischer Lösungsansatz und Arbeitspakete: Einsatz des Atmosphärendruckplasmabeschichtungsverfahrens (APCVD) für funktionelle Beschichtungen. Integration von angepassten Vorläufersubstanzen für Siliziumoxid/Kollagen Mischschichten. Berücksichtigung der Temperaturbelastung des Kollagens und präzise Einstellung von Verweilzeiten im Plasma.
7.Weiterentwicklung bestehender Technologien: Diskussion über Ansätze zur Verbesserung des Einwachsverhaltens von Implantaten durch Immobilisierung der Aminosäuresequenz Arginin-Glycin-Asparaginsäure (RGD-Sequenz). Beschreibung der bei Innovent entwickelten Beschichtungssysteme für Implantatoberflächen aus Metall und Keramik.
8. Forschung und Entwicklungsfortschritt: Erläuterung der aktuellen Entwicklungen im Bereich der Dünnschichttechnik und funktionellen Beschichtungen unter Atmosphärendruckbedingungen.
Betonung der Bedeutung von siliziumorganischen Precursoren für unterschiedliche Beschichtungseigenschaften.
9. Zukünftige Anwendungsperspektiven: Ausblick auf die gezielte Anwendung im Bereich der Zelladhäsion durch Zugabe angepasster Vorläufersubstanzen. Potenziale der entwickelten Technologie für verschiedene Materialien und Oberflächen.
10. Schutzrechte, Transfer- und Vermarktungsstrategie: Erwähnung des erteilten Patents DE102016206009B4 und des Patents EP2743373B1. Beschreibung der Transfer- und Vermarktungsstrategie, einschließlich der Zusammenarbeit mit Industriepartnern. Betonung der potenziellen Umsätze durch den Einsatz von Robotik und Plasmatechnologie.

Das angestrebte Verfahren bietet im Vergleich zur SolGel-Technologie und anderen Methoden klare Vorteile in Bezug auf Einfachheit, kurze Interaktionszeiten und die Möglichkeit, Denaturierungen zu vermeiden. Die Zusammenarbeit mit FILK ermöglicht eine umfassende Bewertung der hergestellten Schichten sowie die Herstellung von Kollagen-Isolaten in ausreichender Qualität. Der technische Lösungsansatz umfasst die Nutzung von Plasma für die gezielte Aktivierung und Beschichtung verschiedener Materialien, wobei die spezifischen Anforderungen an Kollagen und Siliziumoxid berücksichtigt werden. Der Transfer der Ergebnisse an Unternehmen sowie die Vermarktung durch direkten Kontakt, Prospekte und Messeauftritte sollen die Technologie national und international bekannt machen. Die enge Zusammenarbeit mit Industriepartnern und die Schutzrechte durch erteilte Patente bilden die Grundlage für eine erfolgreiche Vermarktung und Weiterentwicklung der entwickelten Technologie.

Vorteile und Lösungen

Das FuE-Projekt hat seine Zielsetzungen Ergebnissorientiert erreicht, wobei Mischbeschichtungen mit Kollagen und Siliziumdioxid sich als stabiler gegen mechanische Einflüsse erwiesen hat als einfache Beschichtungen ohne Matrixsysteme. Die Plasmagestützte Freistrahlplasma-Technologie ermöglichte die Applikation von Kollagen auf verschiedenen Oberflächen kostengünstig und mit vergleichbaren Eigenschaften zu herkömmlichen Verfahren. Weitere Optimierungen sind möglich, einschließlich der Anwendung von Stickstoff und Argon. 1. Modifikation der Plasmaanlagen und Dosiertechnik: Anpassung für hochviskose Kollagenprecursoren ermöglicht homogene Aerosolnebelsprühen. Engere Größenverteilung der Aerosole führt zu gleichmäßigeren und reproduzierbaren Beschichtungen. 2. Direkte Kollagen-Beschichtung von Oberflächen: Säurelösliches und Atelo-Kollagen wurde haftfest auf Glas, PS, PA, PC, Titan und Edelstahl appliziert. Keine nachteiligen Auswirkungen auf getestete Zellen, jedoch Langzeitadhärenz-Unterschiede. 3. Direkte Kollagen/Siliziumdioxid Mischbeschichtung: Erfolgreiche Applikation auf verschiedenen Oberflächen. Keine Zytotoxizität festgestellt, jedoch unzureichende Kurzzeitadhärenz durch hydrophoben Charakter. Langzeitadhärenz zeigt verbessertes Anwachsverhalten, Möglichkeit zur Hydrophilierung wird diskutiert und könnte zukünftig mehr Potenzial bieten.

Zielgruppe und Zielmarkt

Der weltweite Lab-on-a-Chip-Markt, der 2021 einen Wert von 6,29 Milliarden US-Dollar erreichte, wird voraussichtlich bis 2029 auf 13,05 Milliarden US-Dollar ansteigen, mit einer jährlichen Wachstumsrate von 9,55%. Dieses Wachstum wurde durch die Corona-Pandemie weiter gefördert, wohingegen andere Sektoren wie die Automobilbranche mit Herausforderungen zu kämpfen hatten. Insbesondere in Deutschland verzeichnet die Biopharmazeutika-Branche erhebliches Wachstum.
Ein vielversprechender Markt, der zukünftig an Bedeutung gewinnen wird, ist der Organ-on-Chip-Markt. Hierbei handelt es sich um Unternehmen, die Organ-on-Chips für Forschungszwecke in personalisierter Medizin, Toxizitätstests und Arzneimittelentwicklung entwickeln und verkaufen. Organ-on-Chips sind kleine Kunststoffgeräte mit biokompatiblen Mikrofluidikkammern, die lebende menschliche Zellen in einer 3D-Kultur beherbergen, um physiologische Funktionen von Körperorganen nachzuahmen. Der Markt in Amerika soll von 40,17 Millionen US-Dollar im Jahr 2022 auf 448,92 Millionen US-Dollar im Jahr 2031 anwachsen. Obwohl bereits verschiedene Oberflächenbeschichtungsverfahren mit Kollagen auf dem Markt etabliert sind, bietet das vorgestellte Projekt Automatisierungen und eröffnet neue Anwendungsfelder. Die Kombination von Plasmaaktivierung/Sterilisierung und Beschichtung ermöglicht eine breitere Palette von Materialkombinationen als bisher möglich. Insbesondere wird Glas durch die bisherige biologische Modifikation selten verwendet. Dies hat Auswirkungen auf verschiedene Sektoren, darunter medizinische Industrie, Lebensmittelverarbeitung und Pharmazie. Die direkte Plasmabeschichtung von Produkten wie Wellplatten, Organ-on-a-Chip und Lab-on-a-Chip kann in einem einstufigen vollautomatisierten Prozess durchgeführt werden. Da diese Produkte oft steril sein müssen, kann das Plasma selbst als antiseptisches Medium dienen. Plasma-Sterilisation, mit verschiedenen Verfahren wie Niedertemperatur-Plasma (LTP) und Atmosphärendruck-Plasma (APP), wird in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt und bietet Vorteile wie niedrigere Temperaturen, kürzere Sterilisationszeiten und eine bessere Durchdringung von komplexen Oberflächenstrukturen.
Die Ergebnisse des Projekts werden durch ein erteiltes Patent DE102016206009B4 geschützt und bilden die Grundlage für die Lizenzierung und Vermarktungsstrategie. Die Technologie soll in Zusammenarbeit mit Industriepartnern bis zur Marktreife entwickelt werden. Die Vermarktung erfolgt durch direkten Kontakt mit potenziellen Anwendern, darunter Biotechnologie-Startups sowie durch Prospekte und Messeauftritte, um nationale und internationale Bekanntheit zu erlangen. Die Verbreitung der Ergebnisse erfolgt durch den Transfer an ein oder mehrere Unternehmen, da INNOVENT als gemeinnützige Forschungseinrichtung selbst keine Vermarktung durchführt. Die Robotik- und Plasmatechnologie bietet zusätzliche Umsatzpotenziale, erfordert jedoch spezifische Anlagentechniken für jeden möglichen Produktionsstandort. Die erworbene Patentsituation, einschließlich des Patents EP2743373B1 für die Dosiereinrichtung, wird in der Lizenzierung und Vermarktungsstrategie berücksichtigt. Die Technologie ermöglicht nicht nur eine vollständige Automatisierung, die in Reinraumumgebungen eingesetzt werden kann, sondern unterstützt auch das sterile Arbeiten.