Ziel der Entwicklung

Das Projekt basiert auf dem am ILK Dresden entwickelten und patentierten MBIT-Verfahren (Model Based Ice Templating). Dabei handelt es sich um eine innovative Methode, mit der aus wässrigen Biopolymersuspensionen durch gezieltes Einfrieren und anschließende schonende Gefriertrocknung poröse, schwammartige Strukturen erzeugt werden. Die so hergestellten Materialien zeichnen sich durch eine kontrollierbare Porenstruktur aus und eröffnen vielseitige Anwendungsmöglichkeiten – unter anderem in der Medizin und Forschung, etwa zur Blutstillung oder als Trägermaterialien in der regenerativen Medizin. Auch in der Lebensmittelindustrie kommt das Verfahren zunehmend zum Einsatz, beispielsweise als Grundstruktur für pflanzliche Fleischersatzprodukte, bei denen Textur und Mundgefühl eine entscheidende Rolle spielen.
Ziel dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekts war die Konstruktion und Fertigung eines innovativen Funktionsmusters, das die gesamte Prozesskette zur Herstellung poröser Biomaterialien in einem einzigen Gerät abbildet. Dabei werden mehrere bisher getrennte Schritte vereint: das definierte, beidseitige Einfrieren mit individuell wählbaren Abkühlraten, eine schonende Gefriertrocknung, die dehydrothermale Vernetzung der entstandenen Struktur sowie die gezielte Begasung zur Oberflächenmodifikation oder Sterilisation. Vor allem die letztgenannten Prozesse sind für die spätere Verwendung der Materialien in feuchter Umgebung sehr wichtig, um den Abbau der Struktur je nach Anforderungen zu beeinflussen. Für die Verwendung in der Medizintechnik sind sterile Produkte essenziell.
Daraus ergaben sich eine Reihe von Parametern, die innerhalb des Funktionsmusters erfüllt wurden:
Einfrieren:
- Abkühlraten von mindestens 5 K/min bis -60 °C,
- ab -60 °C mit mindestens 2 K/min bis -85 °C
- Medium in der Kammer: GN2/ Luft
Trocknen:
- Temperatur von -70 °C bis +70 °C auf der Stellfläche,
- Kammerdruck 10-3 mbar
Vernetzen:
- Temperaturbereich +90 °C bis +120 °C, maximal 130 °C
- Kammerdruck 10-3 mbar
Oxidieren/ Sterilisieren:
- Sterilisation mittels Wasserstoffperoxid
Herzstück des Systems ist zudem eine intelligente Steuerung, die halb- oder vollautomatische Prozessabläufe ermöglicht. Sobald ein definierter Parameter – wie Temperatur, Zeit oder Kammerdruck – erreicht ist, wird automatisch der nächste Verarbeitungsschritt gestartet. Das minimiert Bedienaufwand und erhöht die Prozesssicherheit erheblich.
Ein besonderes Highlight stellt die variable Höhenverstellung der Stellfläche für die Proben dar. Diese erlaubt es, die Probe je nach Größe optimal von nahezu allen Seiten zu kühlen – ein Vorteil, der bei herkömmlicher Lagerung auf einer festen Probenstellfläche nicht gegeben ist. In Kombination mit gezielter kryogener Medienzufuhr über Düsen kann so eine gleichmäßige und effektive Abkühlung von oben und unten erreicht werden, welche als Grundlage für die Herstellung definierter Eisstrukturen dient. Diese bilden am Ende die „Negativform“ der Porenstruktur des Biomaterials.

Vorteile und Lösungen

Aufbauend auf den Anforderungen wurde das System konzipiert, um neben Einfrierung und Gefriertrocknung auch die nachgelagerten Prozesse der Vernetzung, Oxidation und Sterilisation direkt im Gerät durchführbar zu machen. Damit entsteht ein durchgängiger, automatisierter Ablauf von der Probenaufbereitung bis zum sterilen Endprodukt – ohne Umfüllen, Umlagern oder separate Prozessschritte. Beim Einfrieren werden gezielte Abkühlraten von oben und unten auf die Proben appliziert, wodurch sich die innere Struktur des Materials gezielt beeinflussen lässt. Die Gefriertrocknung erfolgt in einem Temperaturbereich von -70 °C bis +70 °C bei einem Kammerdruck von bis zu <10-3 mbar. Eine Besonderheit stellt die Möglichkeit dar, die Höhe der Probe in der Kammer in einem großen Bereich frei anzupassen, wodurch eine gleichmäßige Abkühlung von oben und unten möglich wird – insbesondere bei der Anwendung kryogener Medien über zwei mal sechs Düsen. Dies sorgt für reproduzierbare Bedingungen und höchste Materialqualität.
Für die Vernetzung der nach der Gefriertrocknung entstandenen porösen Struktur wird ein dehydrothermaler Prozess unter Vakuum genutzt, der völlig ohne chemische Zusätze auskommt. Die Proben verbleiben dabei im Gerät, was das Handling vereinfacht, das Kontaminationsrisiko senkt und die Effizienz steigert. Ein weiterer zentraler Schritt ist die gezielte Oxidation, um die häufig hydrophoben Oberflächen gefriergetrockneter Biomaterialien in hydrophile umzuwandeln. Dies erfolgt direkt in der Kammer durch die kontrollierte Zufuhr von Wasserstoffperoxid, wodurch sich zusätzliche Nachbearbeitungsschritte erübrigen. Für die abschließende Sterilisation erwies sich Wasserstoffperoxid als besonders geeignet, welches sich speziell zur Keimabtötung auf Oberflächen eignet. Zudem hat es im Vergleich zu den gängigen Verfahren mit UV-C-Strahlung oder der chemische Sterilisation mit Ethylenoxid den großen Vorteil, deutlich einfacher handhabbar zu sein. Das fein vernebelte Wasserstoffperoxid kann vor allem bei größeren oder komplex strukturierten Materialien eingesetzt werden.
Durch die Kombination all dieser Funktionen in einem kompakten, intelligent gesteuerten System lässt sich der gesamte Herstellungsprozess von Biomaterialien deutlich effizienter gestalten. Die Prozesse laufen halbautomatisch ab, wobei beim Erreichen definierter Parameter von der Regelung der nächste Schritt ausgelöst wird. Es entsteht ein durchgängiger Workflow, der nicht nur Zeit und Ressourcen spart, sondern auch die Reproduzierbarkeit und Qualität der hergestellten Materialien deutlich erhöht. Damit bietet das entwickelte System eine zukunftsweisende Lösung für Forschung, Entwicklung und Produktion im Bereich biofunktionaler Werkstoffe.
Innovationsvorteile im Überblick:
- Alle Verfahrensschritte in einem Gerät: Einfrieren, Trocknen, Vernetzen und Sterilisieren/ Oxidieren
- In sinnvollem Rahmen frei wählbare Prozessparameter für alle Prozessschritte durch intelligente Steuerung
- Halbautomatischer Ablauf zur Steigerung von Effizienz und Reproduzierbarkeit
- Gleichmäßige Kühlung der Proben durch variable Höhenverstellung und gezielte Medienzufuhr
- Reduzierter Platz-, Zeit- und Ressourcenbedarf in der Produktion durch All-In-One Gerät

Zielgruppe und Zielmarkt

Gefriergetrocknete Biomaterialien gewinnen zunehmend an Bedeutung in verschiedenen Hochtechnologiebereichen – von der Medizin über die Zellkulturtechnik bis hin zur Lebensmittelindustrie. Der besondere Reiz dieser Materialien liegt in ihrer offenporigen, schwammartigen Struktur, die sich mithilfe moderner Verfahren wie dem Model Based Ice Templating (MBIT) gezielt herstellen lässt. Durch die Kombination aus kontrolliertem Einfrieren und schonender Gefriertrocknung entstehen reproduzierbare, bioverträgliche Strukturen, die sich exakt auf den jeweiligen Anwendungszweck zuschneiden lassen. Drei zentrale Anwendungsfelder haben sich dabei besonders herauskristallisiert: medizinische Blutstiller, Trägermaterialien für Zellkulturen sowie funktionale Grundkörper für pflanzliche Fleischalternativen.
Im medizinischen Bereich werden gefriergetrocknete Biopolymere vor allem als hämostatische Schwämme eingesetzt. Bei chirurgischen Eingriffen, in der Notfallmedizin oder in der Wundversorgung ermöglichen diese Materialien eine schnelle Blutstillung direkt an der betroffenen Stelle. Die offenporige Struktur sorgt für eine besonders große Oberfläche und ein hohes Flüssigkeitsaufnahmevermögen, wodurch das Blut effizient gebunden und die Gerinnung gefördert wird. Je nach Anwendung können die Schwämme zusätzlich mit bioaktiven Substanzen versetzt werden, etwa mit Gerinnungsfaktoren oder antimikrobiellen Wirkstoffen, um die Heilung weiter zu unterstützen und Infektionen vorzubeugen.
Ein weiteres vielversprechendes Anwendungsfeld liegt in der regenerativen Medizin und Tissue Engineering. Hier dienen gefriergetrocknete Biomaterialien als sogenannte Gerüststrukturen (Scaffolds), auf denen Zellen wachsen, sich differenzieren und Gewebe bilden können. Die Struktur kann dabei gezielt hinsichtlich Porengröße, Orientierung und mechanischer Eigenschaften angepasst werden, um optimale Bedingungen für verschiedene Zelltypen zu schaffen – ob für Haut, Knorpel, Knochen oder komplexere Gewebe. Durch gezielte Funktionalisierung der Oberflächen lassen sich Zelladhäsion und -proliferation zusätzlich verbessern. Da das Material vollständig biokompatibel und oft sogar resorbierbar ist, können solche Gerüste in den Körper eingebracht werden, ohne später wieder entfernt werden zu müssen.
Neben der Medizin gewinnt auch die Lebensmittelindustrie zunehmend Interesse an gefriergetrockneten Biopolymerstrukturen – insbesondere im Kontext von pflanzenbasierten Fleischalternativen. Die schwammartige Matrix dient hier als Trägermaterial, das gezielt mit pflanzlichen Proteinen, Aromen und Fetten angereichert wird. Durch ihre feinporige Struktur und ihre Fähigkeit, Flüssigkeit und Geschmacksträger gleichmäßig zu speichern, entsteht ein realistisches Mundgefühl, das der Textur von tierischem Fleisch sehr nahekommt. Die Herstellung solcher funktionellen Trägermaterialien bietet nicht nur sensorische Vorteile, sondern auch eine große Bandbreite an Gestaltungsmöglichkeiten – etwa für strukturierte Fleischstücke, pflanzliche Wurstprodukte oder hybride Lebensmittelkonzepte.
All all diese Anwendungen vereint, dass gefriergetrocknete Biomaterialien eine plattformartige Rolle einnehmen: Sie bilden die funktionale Grundlage, auf der sich verschiedenste Technologien und Produkte aufbauen lassen – je nach Branche, Zielsetzung und spezifischem Einsatzgebiet. Dank ihrer Vielseitigkeit, Biokompatibilität und Anpassbarkeit gehören sie zu den vielversprechendsten Werkstoffen einer nachhaltigen, technologisch fortschrittlichen Zukunft.