Hightech-Zahnersatz: Mit Nanotechnik gegen Bakterien

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 04.07.2018

Entzündungen von Zahnimplantaten bereiten große Probleme – Mikro- und Nanotechnik bremst Bakterien aus – Forscher des KIT optimieren Zahnersatz mit nanostrukturierten Oberflächen

Gefäßerweiternde Stents, „Labs-on-Chip“ für Analysen auf kleinster Fläche, 3-D-Zellkultursysteme für die Geweberekonstruktion: Mikrotechnik wird für die Medizintechnik immer wichtiger. Auch in der Implantologie öffnet sie neue Potenziale. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben gemeinsam mit Experten für Zahnimplantate eine nanostrukturierte Oberfläche entwickelt, welche die Wundheilung nach der Implantation künftig beschleunigen und besser gegen den Einfall von Bakterien schützen kann.

„Mikrotechnik kann Zahnimplantate nachhaltig verbessern“, sagen Professor Andreas Guber und Dr. Ralf Ahrens, die am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT die Forschungsgruppe „Biomedizinische Mikrotechnik“ (BioMEMS) leiten. Moderne Zahnimplantate bestehen aus einer Titan-Schraube, die als Wurzelersatz in den Kieferknochen eingebracht wird, einem damit verbundenen „Stützpfeiler“ – auch „Abutment“ genannt – aus Titan für den Zahnersatz und der sichtbaren Zahnkrone. Titan ist das Material der Wahl. Es ist biokompatibel und sorgt für ein gutes Einwachsen der Schraube in den Knochen, die so genannte Osseointegration. Optimierungen von Zahnimplantaten fokussierten sich bislang vor allem auf die Titanoberfläche der Schraube, um diesen Prozess weiter zu verbessern. Problematisch ist aber, dass Zahnimplantate sich auch nach erfolgreicher Osseointegration entzünden können.

Haupteinfallstor für Bakterien ist das Abutment. An diesem Implantteil wächst das Zahnfleisch häufig nicht richtig an. Dadurch können sich Taschen bilden, über die Bakterien bis zum Kieferknochen gelangen und dort Entzündungen hervorrufen können. In diesem Fall bleibt in der Regel nur die Entfernung des gesamten Implantats. Diese potentielle Problemstelle will das BioMEMS-Team schließen. Die Forschungen basieren auf einer beim Implantat-Spezialisten „Abutments4life“ entwickelten Optimierung: Kaum haarbreite Rillen umlaufen das Abutment und steuern die für die Wundheilung zuständigen Zellen gezielt in die richtige Richtung. So kann die Wunde schneller verheilen. „An diesem System setzen wir an“, berichtet Patrick Doll, Wissenschaftler am IMT. Bei der Weiterentwicklung stehen zwei Dinge im Fokus. Zum einen eine präzisere Strukturierung der Rillen für eine noch genauere Steuerung der Zellen und zum anderen die Suche nach der optimalen Nanooberfläche, die den Bakterien möglichst wenige Chancen zum Andocken bietet.

Mit dem Elektronenstrahlschreiber hat Doll säulenförmige Strukturen mit einem Durchmesser von 100 Nanometern und einer Höhe von 500 Nanometern hergestellt, hieran Adhäsionsexperimente mit typischen Testkeimen wie S. Aureus, E coli oder P. aeruginosa durchgeführt und die Strukturen dabei immer wieder verändert. Dabei zeigte sich: Abhängig von Abstand und Anordnung der Säulen reduziert sich die Anhaftung der Bakterien und die Bildung eines Biofilmes verzögert sich. Den nachwachsenden Zellen bleibt dadurch mehr Zeit, um die Wunde zu verschließen – ein Effekt, den ansonsten nur Antibiotika erzielen.

„Wir glauben, dass unser struktureller Ansatz zukunftsweisend ist“, betont Doll. Die Herstellung der Nano-Strukturen gelingt auf Silizium-Basis fehlerfrei und reproduzierbar. Verfahren für die Übertragung auf Titan haben die Wissenschaftler im Zuge des Projektes ebenfalls entwickelt. Nach der ersten Forschungsphase im Labor soll in Kürze die präklinische Erprobung folgen. Anwendungspotenziale über die Zahnmedizin hinaus sehen die Experten unter anderem bei Knochenplatten, Hörimplantaten oder künstlichen Gelenken.

Das Projekt wurde gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi). Partner des IMT war der Implantat-Hersteller „Abutments4Life“. Die biologischen Untersuchungen wurden an der Klinik für Zahnerhaltungskunde und Parodontologie des Universitätsklinikums Freiburg durchgeführt. (sur)

Externer Link: www.kit.edu

Der perfekte Terahertz-Strahl – mit dem 3D-Drucker

Presseaussendung der TU Wien vom 10.07.2018

An der TU Wien ist es gelungen, Terahertz-Strahlen nach Belieben zu formen. Dazu braucht man nur eine simple Kunststoff-Blende aus dem 3D-Drucker.

Terahertz-Strahlung ist sehr vielseitig einsetzbar, sie wird heute für Sicherheitskontrollen am Flughafen genauso verwendet wie für Materialanalysen im Labor. Die Wellenlänge dieser Strahlung liegt im Millimeterbereich, sie ist also deutlich größer als die Wellenlänge von sichtbarem Licht. Daher braucht man auch spezielle Methoden, um die Strahlen zu manipulieren und in die richtige Form zu bringen. Ein spektakulärer Erfolg beim Formen von Terahertz-Strahlen gelang nun an der TU Wien: Mit Hilfe einer genau berechneten und am 3D-Drucker hergestellten Plastik-Blende kann man Terahertz-Strahlen praktisch beliebig formen.

Wie Linsen – nur besser

„Gewöhnliches Plastik ist für Terahertz-Strahlen durchsichtig, ähnlich wie Glas für sichtbares Licht“, erklärt Prof. Andrei Pimenov vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Allerdings werden die Terahertz-Wellen, wenn sie sich durch Kunststoff bewegen, ein bisschen abgebremst. Das bedeutet, dass die Wellenberge und Wellentäler des Strahls ein wenig verschoben werden – man nennt das eine Phasenverschiebung.“

Diese Phasenverschiebung kann man nutzen, um einen Strahl zu formen. Genau das passiert – in sehr einfacher Form – bei einer optischen Linse aus Glas: Wenn die Linse in der Mitte dicker ist als am Rand, verbringt ein Lichtstrahl in der Mitte mehr Zeit im Glas als ein anderer Strahl, der parallel dazu den Randbereich der Linse trifft. Die Lichtwelle in der Mitte wird daher stärker phasenverschoben als die Lichtwelle am Rand. Genau das führt dazu, dass sich die Form des Strahls ändert – ein breiter Lichtstrahl lässt sich auf einen einzelnen Punkt fokussieren.

Doch damit sind die Möglichkeiten noch lange nicht ausgeschöpft. „Wir wollten nicht bloß einen breiten Strahl auf einen Punkt abbilden. Unser Ziel war, einen beliebigen Strahl in eine beliebige Form bringen zu können“, sagt Jan Gospodaric, Dissertant im Team von Andrei Pimenov.

Die Blende aus dem 3D-Drucker

Das gelingt, indem man eine genau angepasste Kunststoffblende in den Strahl einbringt. Die Blende hat einen Durchmesser von wenigen Zentimetern, ihre Dicke variiert von 0 bis 4 mm. Die Dicke der Blende muss Punkt für Punkt so angepasst werden, dass unterschiedliche Bereiche des Strahls genau richtig abgelenkt werden und am Ende das gewünschte Bild ergeben. Eine spezielle Berechnungsmethode wurde entwickelt um das richtige Blendenmuster zu berechnen. Daraus wird dann in einem gewöhnlichen 3D-Drucker die passende Blende hergestellt.

„Das Verfahren ist erstaunlich einfach“, sagt Andrei Pimenov. „Man braucht nicht einmal einen 3D-Drucker mit besonders hoher Auflösung. Es genügt, wenn die Präzision der Struktur deutlich besser ist als die Wellenlänge der verwendeten Strahlung – das ist bei Terahertzstrahlung mit 2 mm Wellenlänge kein Problem.“

Um die Möglichkeiten der Methode zu demonstrieren erstellte das Team unterschiedliche Blenden – unter anderem eine, die einen breiten Strahl in die Form des Logos der TU Wien bringt. „Das zeigt, dass der Technik kaum geometrische Grenzen gesetzt sind“, sagt Andrei Pimenov. „Unsere Methode ist relativ leicht anwendbar. Wir glauben daher, dass sich die Technik rasch in vielen Bereichen einsetzen lässt und die derzeit aufstrebende Terahertz-Technik ein Stück präziser und vielseitiger macht.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
3D-printed phase waveplates for THz beam shaping, J. Gospodaric, A. Kuzmenko, Anna Pimenov, C. Huber, D. Suess, S. Rotter, and A. Pimenov; Appl. Phys. Lett. 112, 221104 (2018); doi: 10.1063/1.5027179

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Wächter über den Augeninnendruck

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.07.2018

Schnell, einfach und unkompliziert – das Sensorsystem EYEMATE, das gemeinsam vom Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg und dem Unternehmen Implandata Ophthalmic Products GmbH (IOP) aus Hannover entwickelt wurde, stellt eine Innovation in der Augeninnendruckmessung dar. In Zukunft soll EYEMATE Glaukom-Patienten das Leben erleichtern. Das Implantat ermöglicht die optimale Therapie bei Patienten, die von der Augenkrankheit Grüner Star betroffen sind.

In unserem Auge findet ein ständiger Austausch von Kammerwasser statt – neues wird produziert und altes abgegeben. Wenn die Menge des neu produzierten Kammerwassers jedoch größer ist als die des abfließenden Wassers, steigt der Augeninnendruck und es kann zu irreversiblen Schädigungen bis hin zum Absterben des Sehnervs kommen. Man spricht dann von einem Glaukom oder Grünen Star.

Betroffene merken zu Beginn selbst meist nichts von ihrer Krankheit – erst wenn bereits so viele Sehnerven abgestorben sind, dass sich das Gesichtsfeld verkleinert, wird die Erkrankung wahrgenommen. Um die Ausbreitung des Glaukoms und die damit verbundene weitere Reduzierung des Gesichtsfelds zu verhindern, muss der Augeninnendruck wieder in den normalen Bereich gebracht und dort gehalten werden. Dies kann medikamentös, mit Augentropfen oder – bei einer weiter fortgeschrittenen Erkrankung – auch durch einen operativen Eingriff geschehen. Von entscheidender Bedeutung bei der Behandlung des Glaukoms ist in jedem Fall die Auswahl der passenden Therapie. Hierfür muss der behandelnde Arzt wissen, wie hoch der Druck im Auge ist und welchen zeitlichen Verlauf er nimmt.

Bisher gängige Messverfahren liefern jedoch nur eine geringe Datenbasis und somit keine zuverlässigen Informationen. Das Hauptproblem bisher: die Messungen werden in der Regel in der Arztpraxis durchgeführt – dadurch liegen zwischen den Messungen zu große Zeitabstände. Außerdem ist so die Wahrscheinlichkeit groß, dass schädliche hohe Werte, die im Laufe eines Tages mehrfach auftreten können, nicht erfasst werden. Die Gefahr einer falschen Therapieentscheidung steigt dadurch um ein Vielfaches.

Einfache Bedienung, genaue Ergebnisse

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Fraunhofer IMS ist es nun gelungen, eine Lösung für dieses Problem zu finden: »Gemeinsam mit dem Unternehmen IOP haben wir EYEMATE entwickelt, ein Mikrosensorsystem, mit dem Betroffene selber eine berührungslose Druckmessung im Auge durchführen können«, berichtet Michael Görtz vom Fraunhofer IMS. Ein ins Auge implantierter Sensor misst dabei den Druck sowie die Temperatur. Die Werte werden mit einem Handlesegerät, das der Patient einfach vor sein Auge hält, erfasst, digitalisiert und wiedergegeben. Innerhalb von Sekunden lassen sich so zu jeder Zeit berührungslos Druck und Temperatur im Auge genau messen. Die behandelnden Ärzte erhalten dadurch eine um ein Vielfaches höhere Datenbasis zum Erstellen der richtigen Therapie. Neben dem Ablesen und Digitalisieren der Messergebnisse ist es zusätzlich möglich, die Werte in einen Cloudspeicher zu übertragen. Der behandelnde Arzt kann so jederzeit auf die Patientendaten zugreifen, den Krankheitsverlauf überprüfen und bewerten sowie die Therapie gegebenenfalls direkt anpassen – der Patient muss dafür nicht mehr zwingend in die Praxis kommen. Darüber hinaus haben Betroffene die Möglichkeit, über eine Smartphone-App direkt auf die Daten zuzugreifen, den Verlauf des Augeninnendrucks selbst zu verfolgen und gegebenenfalls zu reagieren, wenn ein zu hoher Druck vorliegt. Je häufiger der Patient das Lesegerät benutzt, desto aussagekräftiger sind die Messwerte und desto individueller kann die Therapie abgestimmt werden.

Sensorsystem mit CE-Zulassung

Der Augeninnendrucksensor wurde vom Fraunhofer IMS in Duisburg als Halbleiterschaltung entwickelt. Dabei handelt sich um einen passiven Mikrosensor, welcher durch das Lesegerät aktiviert wird. Nachdem der Augeninnendrucksensor in einer klinischen Studie an mehreren Krankenhäusern in Deutschland erfolgreich validiert wurde, hat die Firma Implandata Mitte 2017 die CE-Zulassung für das Sensorsystem erhalten. Schon jetzt hat sich in dieser Studie gezeigt, dass durch die abgebaute Barriere die Motivation der Patienten zur regelmäßigen Messung steigt, dass aber insbesondere die Therapie durch den Augenarzt personalisiert und erforderliche Therapieanpassungen frühzeitig vorgenommen werden können. Dadurch lassen sich unwiederbringliche Sehverluste der Patienten vermeiden. »Im April 2018 hat Implandata erfolgreich eine substantielle Finanzierungsrunde abgeschlossen, um neben einer ersten gezielten Markteinführung in Deutschland/Österreich/Schweiz die Geometrie des Sensor-Implantats noch weiter zu verkleinern und noch einfachere Operationstechniken zu ermöglichen, was die Marktakzeptanz nochmals deutlich erhöhen wird«, erläutert Max Ostermeier, Geschäftsführer der Implandata Ophthalmic Products GmbH.

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick Juli 2018

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Bitcoin and Cryptocurrencies
Rustie Lin (University of California, Berkeley) et al.
Start: 09.07.2018 / Arbeitsaufwand: 18-30 Stunden

Externer Link: www.edx.org