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All-In-One Gerät für Gefriertrocknung und Biomaterialherstellung

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

05/2022-10/2024

René Kretschmer

+49-351-4081-5119

mit automatisierter Einfrier- und Sterilisationsoption

Ziel des FuE-Vorhabens ist die Entwicklung einer automatischen Gefriertrocknungsanlage mit kryobiologischer Einfrier-Funktion, Oxidations- und Sterilisationsoption. Biomaterial wird für eine optimale Porenstruktur mit unabhängigen Abkühlraten auf Ober- und Unterseite prozessiert. Gefriertrocknung, dehydrothermale Vernetzung, Oxidation und Sterilisation sind in einer Anlage möglich, um benetzbare, stabile Strukturen zu erzielen. Anpassbare Prozessführung ermöglicht ein breites Anwendungsspektrum.

Gefriertrockner nutzen den physikalischen Effekt der Sublimation von Wasser bei Temperaturen unter 0,01 °C und Drücken kleiner 6,1 mbar um das als Eis gebundene Wasser sofort in die Gasphase zu überführen. Diese Form des Wasserentzuges bietet den Vorteil, dass flüssiges Wasser die Struktur des Trocknungsgutes, welche beim Einfrieren entsteht, nicht verändern kann.

Für die Herstellung von Biomaterialien ist die Strukturbildung von entscheidender Bedeutung. Je nach geplanter Anwendung sind verschiedene Materialstärken, chemische und physikalische Stabilität und die Erzeugung verschiedener Porengrößen und –formen gefordert. Mit dem am ILK Dresden patentierten MBIT-Verfahren können durch die Auswahl geeigneter Prozess- und Suspensionsparameter die gewünschten Strukturen erzeugt werden. Dabei wird die wässrige Biomaterialsuspension unter den Gefrierpunkt von Wasser abgekühlt, in dessen Folge es zu definiertem Eiskristallwachstum kommt. Durch die anschließende Gefriertrocknung wird das Eis sublimiert und das während der Einfrierung zwischen den Eiskristallen entstandene Gerüst aus festem, nicht wasserlöslichem Biomaterial, strukturell erhalten. Diese schwammartige Struktur bildet die Basis für Zellträgerstrukturen, die später zum Beispiel als Hautmodelle oder resorbierbare Implantate verwendet werden können.

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer automatischen Gefriertrocknungsanlage mit kryobiologischer Einfrierfunktion sowie Vernetzungs- und Begasungsoption. Das zu entwickelnde Funktionsmuster wird für kollagenbasierte Biomaterialien optimiert bietet folgende Vorteile:

  • Kryobiologische Einfrierfunktion mit konvektiver Probenkühlung durch Kaltgasströmung mit Abkühlraten > 5 K/min
  • Einfrierung der Probe auf Ober- und Unterseite voneinander weitestgehend unabhängig möglich (insbesondere für biologische Materialien interessant, da die Eisbildung maßgeblich für die spätere Struktur verantwortlich ist)
  • Option der Probenvitrifikation (schlagartiges Ausfrieren des Wassers in der Probe durch starke Unterkühlung)
  • Anpassung der (Gefrier-)Trocknungsparameter durch variable Heizraten und intelligente Regelung für eine besonders produktschonende und zeiteffiziente Gefriertrocknung
  • Vernetzung der Struktur der Biomaterialien durch Druckverminderung bei gleichzeitiger Erhöhung der Temperatur (Dehydrothermale Vernetzung –DHT)
    • Temperaturen über 100°C und Drücken unter 1 mbar führen zur Bildung von Peptidbindungen und erhöhen die Stabilität des Materials (z.B. Zugfestigkeit nimmt zu und Abbau in wässrigem Medium nimmt ab)
  • Begasung des Probenraums mit oxidativen Medien zum Hydrophilisierung der Oberfläche (Sicherstellung der Benetzbarkeit in wässrigen Medien) oder zur Sterilisation der Probe mit bspw. Sauerstoff oder Ethylenoxid (Erzeugung möglichst keimfreier Proben durch das Abtöten der Mikroorganismen)
  • Intelligente Benutzeroberfläche zur Eingabe aller benötigten Parameter und Ausgabe der Prozessdatei

Als Ergebnis des Projektes soll ein Funktionsmuster aufgebaut und in Betrieb genommen werden um kollagenbasierte Biomaterialien mit definierten strukturellen und physikalisch-mechanischen Eigenschaften herstellen zu können. Die im Prozess implementierte Sterilisation soll zudem eine lange, biologisch unbedenkliche Lagerung sicherstellen. Die Integration aller Prozessschritte in einem Gerät spart Zeit- und Investitionsaufwand:

  • Nutzung konventioneller Einfrier- und Gefriertrocknungstechnik & Vermeidung mehrerer Einzelgeräte für die einzelnen Prozessschritte Einfrierung/Trocknung, Vernetzung und Oxidation/ Sterilisation
  • Flexible Produktgestaltung in einem einheitlichen Fertigungsverfahren & verminderter Bedienaufwand
  • Neue Produkte ohne Entwicklungsaufwand an PC planbar
  • Vereinfachte Zulassung neuer Produkte durch retrospektive Validierbarkeit

Das Verfahren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine flexible Fertigung von 3D-Scaffolds mit bedarfsgerechter Makro- und Mikrostruktur geplant ist, z. B.:

  • Rasche Diversifizierung des Produktportfolios
  • Fertigung nach Kundenwünschen
  • Häufige Produktwechsel

Neben dem genannten Hauptanspruch der Herstellung kollagenbasierter Biomaterialien kann das Funktionsmuster weiterhin für alle gängigen Gefriertrocknungsprozesse im Labormaßstab verwendet werden, insbesondere wenn durch die Abkühlung entstehende Strukturen wichtig für die funktionalen oder haptischen Eigenschaften des Trocknungsgutes sind. Dazu zählen vereinzelte Anwendungen im Lebensmittelbereich sowie insbesondere produktschonende Entwässerungsverfahren in der Biotechnologie und der Pharmazie.


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