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Neuartige Biomaterialien sowie Kombinationsprodukte aus Trägermaterialien und zellulären Bestandteilen (Tissue Engineering) müssen vor ihrer Anwendung im Menschen umfangreichen Testungen unterzogen werden. Dies ist notwendig, um vor dem Einsatz im und am Menschen Komplikationen wie z. B. materialbedingte unerwünschte Reaktionen und Implantatversagen ausschließen zu können. Häufig lassen sich etablierte Verfahren nur eingeschränkt auf neuartige Produkte anwenden, weshalb die Entwicklung von Testverfahren immer parallel zur Produktentwicklung erfolgt. Die Biomaterialien müssen sowohl hinsichtlich ihrer Funktionalität (z. B. mechanische Belastbarkeit, Abriebfestigkeit) als auch ihrer Biointeraktion (z. B. Biokompatibilität) überprüft werden.

Die in den zuvor genannten Bereichen angestrebte Entwicklung biologischer, biohybrider und biofunktionalisierter Implantate bedingt ein stetiges Monitoring/Nachverfolgung oder auch Kontrolle und aktive Beeinflussung von Gewebe-, Zell- und Immunantworten sowie der Biofilmbildung während aller Entwicklungsphasen. Methode der Wahl für eine Charakterisierung, Bewertung oder auch Beeinflussung stellen in diesen Bereichen die optischen Technologien dar. Neben der Chemie, der Mikro- und Nanotechnologie sind es vor allem optische Methoden, die entscheidende Impulse in der Entwicklung und der Überprüfung der Funktionalität neuer Implantate in vivo und in vitro setzen können. Im Gegensatz zu einer aufwändigen Probenpräparation im Rahmen der histologischen Analyse bieten rein optisch basiert Verfahren die Möglichkeit, nicht-invasiv eine Erfassung der Lebend-Reaktion von Zellen und Gewebe nachverfolgen zu können. Weiterhin bietet diese Methodik bei in vivo-Fragestellungen die Möglichkeit, Prozesse über einen längeren Zeitraum am Tier direkt zu beobachten und zu visualisieren, ohne die Notwendigkeit zu jedem Messzeitpunkt das Tier zu töten. Somit reduziert sich zum einen die Zahl der benötigten Versuchstiere. Anderseits werden hierdurch unterschiedliche Reaktionen der Versuchsindividuen reduziert. Um das an den hannoverschen Universitäten vorhandene Methodenspektrum unmittelbar nutzen und gleichzeitig auch die in der Bearbeitung medizinischer Fragestellungen auftauchenden Anforderungen unmittelbar in neue technologische Lösungen umsetzen zu können, sollen im NIFE die methodischen und klinischen Kompetenzen in diesem Bereich räumlich gebündelt werden. Der Bereich 2 stellt somit einen Querschnittsbereich dar, der die Forschungsarbeiten der Gebiete I-IV über den gesamten Entwicklungsprozess der Implantate begleitet und unterstützt. Neben der Anwendung zur Charakterisierung und Bewertung neuartiger Implantate in vivo und in vitro sollen daher zusätzlich die Entwicklung und Erforschung verschiedener optischer Bildgebungsverfahren, wie nichtlineare Lasermikroskopie, optische Kohärenztomographie und die optische Projektionstomographie erforscht werden. Große Teile dieser Bildgebungstechniken existieren bislang vorwiegend im Bereich der Grundlagenforschung.Sie haben noch keine klinische Anwendung erfahren. Insbesondere durch die Kombination dieser und weiterer etablierter Bildgebungstechniken lässt sich zusätzlich ein Neuheitscharakter erschaffen, der beispielsweise die hochauflösende Bildgebung über mehrere Skalen gestattet und so die Nutzung einer zellulären Auflösung am lebenden Tiermodell für Implantat-bezogene Fragestellungen überhaupt erst ermöglicht. Zusätzlich erweitert werden sollen diese Kernfragen durch das Nachverfolgen/Tracking von markierten bzw. modifizierten Zellen in vivo, auf Basis von spezifischen Markierungen, die sich durch fluoreszenz-basierte Methoden oder durch CT/MRT-Kontrastmittel erreichen lassen. Aber auch Methoden zur gezielten Manipulation oder Kontrolle von Zellen im Gewebe werden untersucht, wie beispielsweise das Laserdrucken von Gewebe innerhalb der AG Chichkov vom Laser Zentrum Hannover, im Bereich der Optogenetik durch die AG Heisterkamp oder die piezomechanische Beeinflussung durch die AG Glasmacher.

Forschungsprojekte zwischen der Leibniz Universität Hannover, dem Laser Zentrum Hannover und der Medizinischen Hochschule Hannover laufen bereits seit mehreren Jahren in enger Kooperation auf diesem Gebiet.

Im Bereich der Biomedizinischen Optik arbeitet das Laser Zentrum Hannover bereits gegenwärtig intensiv mit Partnern von NIFE und Kliniken der MHH an unterschiedlichen Fragestellungen. Eine der zentralen Fragestellungen ist die oben genannte Verbindung von verschiedenen Skalen der optischen Bildgebung in einem Gerät. Über die Verbindung von verschiedenen optischen Modalitäten lassen sich lebende Gewebe in einem Übersichtbild erfassen und gewünscht einzelne Bereiche vergrößert bis zu einer zellulären Auflösung darstellen (Multiskalenbildgebung). In einer möglichen Anwendung auf dem Gebiet der Implantologie ließe sich so die zelluläre Reaktion von Gewebe an der Grenzfläche Implantat-Gewebe direkt verfolgen und aufgrund der verschiedenen Bildgebungsskalen zuordnen. DieseArbeiten zur zellulären Laser-Mikroskopie werden in Kooperation mit der MHH (Haverich, Wilhelmi, Lenarz, Voigt, Krauss, Schwabe) durchgeführt.Im Mittelpunkt steht dabei die hochauflösende Multiskalenbildgebung kardiovaskulärer Implantate und Nervengewebe.

In Kombination mit der Multiphotonen-Mikroskopie werden Ansätze zur lasergestützten zellulären Manipulation untersucht, seit jüngster Zeit in Verbindung mit Nanopartikeln, über Plasmonenresonanz und Feldverstärkung an deren Oberflächen und im Bereich der Optogenetik.

Weitere neuartige Anwendungsgebiete für optische Verfahren im Fokus des NIFE stellt die direkte Lasermanipulation dar, wie das hochpräzise Laserbohren und -schneiden zum präzisen Bearbeiten und Manipulieren von Knochen-, Hart- und Weichgewebe, dem Laserdrucken von Zellen und Geweben bis hin zur selektiven Bearbeitung einzelner Zellen sowie der Aufreinigung von Zellclustern gestützt durch volumetrische Bildgebungsverfahren. Zusätzlich soll die hochauflösende Bildgebung mit der Laser-Bearbeitung kombiniert werden, um ein „sehendes Skalpell“ für Roboter-assistierte Chirurgie (Ortmaier, Ptok) zu ermöglichen. Weitere Anwendungen im Rahmen des NIFE sind die Charakterisierung von Tissue Engineering Konstrukten. In Zusammenarbeit mit Witte werden gegenwärtig optische Methoden zur Gewebecharakterisierung an der Grenzfläche von Implantaten am lebenden Mausmodell eingesetzt. Das Institut für Informationsverarbeitung (Rosenhahn) wird sich mit der Auswertung der optisch erfassten Daten befassen. 

Folgende zentrale Fragestellungen ergeben sich zusammenfassend: 

  • eine optische Lebend-Bildgebung, in allen Phasen von in vitro bis zu in vivo,
  • die Multiskalen-Bildgebung durch Kombination verschiedener optischer Technologien,
  • die Entwicklung spezifischer Marker und Tracer zur Nutzung herkömmlicher Bildgebung (MRT/CT) in Kombination mit optischen Methoden,
  • der Einsatz optischer Methoden zur Gewebevorbereitung für die Implantation.

Die Regeneration der Gewebefunktion durch ein Implantat hängt maßgeblich von den mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Implantats und der verwendeten Werkstoffe ab. Sie müssen auf die jeweilige Anwendung angepasst und unter Anwendungsbedingungen (z. B. Körpertemperatur, Milieueigenschaften) untersucht werden. Zusätzlich zu standardisierten Werkstoffprüfungen wie dem Zug- oder Druckversuch müssen auch anwendungsbezogene Funktionalitäts- und Dauerfestigkeitstests erfolgen. Hierzu bestehen in AG Glasmacher umfangreiche Kompetenzen und eine entsprechende Ausstattung zur Testung der beschriebenen Eigenschaften. Neben temperierten mechanischen Prüfständen stehen Funktionalitätsprüfstände für kardiovaskuläre Implantate (Herzklappen-, Gefäßprothesen), Implantate für periphere Nerven sowie Knochenimplantate zur Verfügung.

Abbaubare Implantaten müssen hinsichtlich ihrer Degradationskinetik getestet werden. Für Anwendungen im kardiovaskulären System sind zusätzlich Einflüsse der Implantate auf die Hämodynamik (Blutströmung) zu untersuchen. Für beide Fragestellungen sind in der AG Glasmacher Prüfstände sowie Messsysteme wie die Partical Image Velocimetry (PIV) verfügbar.

Neben den mechanischen Eigenschaften diktieren die Oberflächeneigenschaften der Implantate den klinischen Erfolg der Produkte. Diese können gezielt für die jeweiligen Anwendungen modifiziert werden. Typische Testverfahren, die in der AG Glasmacher zur Untersuchung dieser Eigenschaften genutzt werden, stellen die Ermittlung der Oberflächenspannung sowie die Bestimmung der Oberflächentopographie (Rasterkraftmikroskop) dar. Zur Überprüfung der Einflüsse der Oberflächentopographie auf die Biointeraktion (z. B. Blutverträglichkeit) werden in der Regel spezielle Kreislaufsysteme genutzt, welche die Bedingungen am Einsatzort (Strömungsverhältnisse, Temperatur) umfangreich nachbilden.

 Zulassungsrelevante Untersuchungen zur Toxizität und zur Bioverträglichkeit (nach ISO 10993) der Materialien werden von BioMedimplantund dem Labor für Ototoxikologie  welches präklinische Bewertung audiologischer Implantate unter GLP-Bedingungen durchführen kann, im Rahmen der in vivo und in vitro Testungen durchgeführt. Die Zusammenarbeit mit dem akkreditierten Prüflabor für Medizinprodukte der MHH, BioMedimplant sowie dem Labor für Ototoxikologie schließt die Wertschöpfungskette in die klinische Anwendung.