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Dr. Martin Stelzle

BioMEMS/Sensorik

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Fig 1. Projektkonsortium

Fig 1. Projektkonsortium

Fig 2. Projektskizze. Technisches Prinzip zur kontinuierlichen und drahtlosen Evaluierung von subkutan implantierten Biomaterialien mittels elektrochemischer Sensorik.

Fig 2. Projektskizze. Technisches Prinzip zur kontinuierlichen und drahtlosen Evaluierung von subkutan implantierten Biomaterialien mittels elektrochemischer Sensorik.

Fig 3. Multisensor Mikrochip-Technologie des NMI. Chemische Mikrosensoren zur Messung von Sauerstoffkonzentration, pH und elektrischer Impedanz in Dünnschichttechnik integriert auf einem Glassubstrat.

Fig 3. Multisensor Mikrochip-Technologie des NMI. Chemische Mikrosensoren zur Messung von Sauerstoffkonzentration, pH und elektrischer Impedanz in Dünnschichttechnik integriert auf einem Glassubstrat.

Biomaterial Screening: Biokompatibilität messbar machen.

Ein telemetrisches Mikrosensorimplantat evaluiert kontinuierlich das Einwachsverhalten von Biomaterialien im Tiermodell

Projektname: BIMoT
Advanced biomaterial implant testing by continuous monitoring of tissue/implant interactions using an implantable microsensor device
Projektleiter: Dr. Martin Stelzle
Geldgeber: EU EuroTransBio, BMBF
Projektträger: Projektträger Jülich
FKZ: 031A201A
Laufzeit von: 01.12.2012
Laufzeit bis: 30.11.2015

Das Ziel ist die Entwicklung eines Hybridbiomaterials für Tracheaimplantate aus porösen Titan-Scaffolds, welche mit bioaktivem Hydrogel befüllt werden, um die Zellmigration zu steuern. Um eine mechanische Stabilisierung am Implantationsort zu gewährleisten, muss sich das umliegende Gewebe mit dem Implantat durch Zelleinwanderung verbinden. Bei der kontinuierlichen Evaluation dieses Einwachsverhaltens stoßen bisherige Methoden aus der Histologie an Grenzen. Am NMI werden Sauerstoff, pH und elektrische Impedanzsensoren auf einem intelligenten Mikroimplantat integriert, welches das Einwachsverhalten des Hybridbiomaterials anhand von physikalisch/chemischen Eigenschaften kontinuierlich erfasst.

Beschreibung

Die DIN EN ISO 10993 Teil 6 beschreibt spezielle Testverfahren zur Analyse von lokalen Gewebereaktionen auf implantierbare Biomaterialien. Bis heute existiert allerdings keine gesetzliche Vorschrift, welche obligatorische Randbedingungen für Biomaterial-Tierversuche festlegt. Vielmehr sind diese Randbedingungen von Größe, Oberfläche, chemische Zusammensetzung des Biomaterials, der Anwendung oder Implantationsstelle abhängig, was in den meisten Fällen nicht gesetzlich nicht vereinheitlicht werden kann. Zur Endpunktanalyse am Ende der Testphase müssen alle Versuchstiere geopfert werden. Makroskopische und histologische Untersuchungen an der Gewebe/Implantat Grenzfläche werden mit ausgewählten Referenzmaterialien verglichen und in einem Bericht dokumentiert.
Die Entwicklung neuer Biomaterialien tendiert aber zu immer dynamischeren bioaktiven in vivo Eigenschaften. Dabei sind einerseits Veränderungen der Materialeigenschaften (z.B. Abbaurate, Bioaktivität), als auch Transienten im Gewebe über die Zeit zu erwarten. Diese kontinuierlich variierenden biologisch/chemischen Prozesse können bisher nur durch Tiere erfasst werden, welche zu diskreten Zeitpunkten durch vorzeitige Explantation geopfert werden. Dadurch entsteht folgender Konflikt: Je kürzer der Abstand dieser Zeitpunkte, desto mehr Tiere werden benötigt.

Im Teilvorhaben des NMI streben wir die Überwachung, Quantifizierung und Klassifizierung des Einwachsverhaltens von Hydrogelmaterialien und Titanschwämmen in Weichgewebe durch die Messung der physikalisch/chemischen Eigenschaften der Biomaterial/Gewebe Grenzfläche in Weichgewebe von New Zealand White Rabbits an. Anhand dieses Anwendungsbeispiels soll am Ende der entwickelte neue in vivo Biomaterialtest für andere Biomaterialarten zu Verfügung stehen.
Die Etablierung dieser neuen Biomaterialtestmethode setzt die Entwicklung eines mittel- bis langzeitstabilen drahtlos ansteuerbaren Mikrosensorimplantats voraus. Mikroelektroden werden dazu mithilfe von Dünnschichttechnik realisiert. Eine Telemetrieeinheit (Smart Implant Projekt) wird zusammen mit dem Mikroimplantat hermetisch verkapselt.

Mit dem BiMoT (Biomaterial Implant Monitoring Test) wird erstmals ein System für Biomaterialentwickler und prüfer verfügbar, welches Transienten während der Einwachsphase von Biomaterialien erfassen kann und dafür keine Tieropfer benötigt. Dies ermöglicht die parallele Validierung einer hohen Anzahl von chemischen Variationen desselben Materials bei gleichzeitig niedrigen Kosten pro Test unter Einhaltung ethischer Randbedingungen zur Reduktion von Tierversuchen. Die erfassten Parameter sind zudem noch quantifizierbar und ermöglichen so eine eindeutig nachvollziehbare Abgrenzung unterschiedlicher Einwachsverhalten, was die Zulassung von innovativen Implantatmaterialien mit stetig steigenden Anforderungen im Bereich Tissue Engineering und der Regenerativen Medizin erleichtern wird.

Projektpartner

  • Cellendes GmbH, Reutlingen (D)
  • INSERM u977, Strasbourg (F)
  • NMI TT GmbH, Reutlingen (D)
  • ProTip, Strasbourg (F), Projektkoordinator

Veröffentlichungen

M. Kubon, M. Moschallski, T. Ensslen, G. Link, S. Werner, C. Burkhardt, H. Hartmann, B. Schlosshauer, G. Urban, and M. Stelzle, "Monitoring Ingrowth Behavior of Biomaterials Using a Microsensor Implant," at 24th European Conference on Biomaterials (ESB), Dublin, Ireland, 2011.

M. Kubon, M. Moschallski, T. Ensslen, G. Link, S. Werner, C. Burkhardt, H. Hartmann, B. Schlosshauer, G. Urban, and M. Stelzle, "Towards quantification of biocompatibility: Monitoring ingrowth behavior of biomaterials in tissue with a microsensor implant," in Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference (TRANSDUCERS), 2011 16th International Beijing, China, pp. 1935-1937, 2011

M. Kubon, M. Moschallski, G. Link, S. Werner, C. Burkhardt, W. Nisch, G. Urban, and M. Stelzle, "Towards implantable sensors and actuators (Part 1): A microsensor device to probe biological and physiological environments," Biomedizinische Technik/Biomedical Engineering, vol. 55, pp. 139, 2010/12/07, 2010

M. Kubon, M. Moschallski, G. Link, S. Werner, C. Burkhardt, W. Nisch, B. Scholz, B. Schlosshauer, G. Urban, and M. Stelzle, "Towards implantable sensors and actuators (Part 2): Avian ex ovo culture as quasi-in vivo environment," Biomedizinische Technik/Biomedical Engineering, vol. 55, pp. 117, 2010/12/07, 2010.

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