Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Polyelektrolytfasern mit kontrollierter Morphologie mittels eines wasserbasierten Spinnverfahrens

Im Anwendungsgebiet der faserbasierten Medizinprodukte bestimmen Material und Fasermorphologie die Interaktion mit dem umgebenden Gewebe. Entzündungsreaktionen an Herniennetzen stellen ein Risiko für die Patienten dar. Die Verwendung eines Materials mit hoher Biokompatibilität ist entscheidend für die Herstellung medizinischer Fasern und eine antimikrobielle Komponente kann das Risiko für Entzündungen minimieren. Die Produktion poröser Mikrofasern aus biokompatiblen Polymeren und Funktionalisierungen mit kontrollierter Morphologie gestaltet sich mit konventionellen Prozessen allerdings schwierig, da meist hohe Temperaturen und organische Lösungsmittel verwendet werden. Als Ziel des Projekts soll eine neuartige Technologie zur Herstellung von Fasern mit antimikrobiellen Eigenschaften etabliert werden, bei der antimikrobiell wirkende Substanzen direkt in die polymere Fasermatrix eingebaut werden und somit keine nachträgliche Beschichtung erforderlich ist. Der neue Ansatz umfasst ein innovatives, vollständig auf wässriger Phaseninversion basiertes Nassspinnverfahren unter Verwendung einer Koazervatphase, die aus einer einzigartigen biologischen Komponente in Kombination mit geladenen synthetischen Polymeren besteht. Genauer gesagt sorgen gentechnisch hergestellte hochgeladene Polypeptide (SUPs) mit maßgeschneiderten Fusionsproteinen für antimikrobielle Eigenschaften, während synthetische Polyelektrolyte (PEs) das Rückgrat der Faser bilden. Die Fasern werden für die Anwendung als Material für Herniennetze in enger Zusammenarbeit mit dem projektbegleitenden Ausschuss entwickelt. KMU im Bereich der Herstellung von Polyelektrolyten wird so der Markt der Faserherstellung erschlossen, während Faserhersteller ihr Produktportfolio erweitern können. KMU im Bereich der Medizintechnik erhalten mit den Polyelektrolytfasern einen neuen Werkstoff zur Herstellung von Herniennetzen und KMU aus dem Bereich der Beratung und Softwareentwicklung können ihren Kundenstamm erweitern.

Ergebniszusammenfassung:

Polyelektrolytkomplexfasern können frei von organischen Lösungsmitteln hergestellt werden, was einen nachhaltigen und umweltschonden Produktionsprozess ermöglicht. Es wurden verschiedene Polyelektrolytsysteme untersucht und stabile Fasern auf der Basis von PSS und PDADMAC mit hohem Molekulargewicht hergestellt. Durch den Zusatz von Cellulose kann die mechanische Stabilität der Faser verbessert werden. Die Prozessparameter können entsprechend der gewünschten Fasereigenschaften angepasst werden.

Im Projekt wurde weiterhin bioaktive hochgeladene Peptide in die Fasern integriert. Dies wird ermöglicht durch die Co-Formulierung der wasserlöslichen Peptide mit den synthetischen Polyelektrolyten. Es konnte gezeigt werden, dass die Peptide gleichmäßig verteilt in der hergestellten Faser vorliegen. Der biotechnologische Herstellungsprozess der hochgeladenen Peptide wurde in diesem Projekt optimiert und skaliert. Da die hergestellten Fasern nur an der Oberfläche mit dem Gewebe wechselwirken, kann die Funktionalisierung auf der Faseroberfläche erfolgen. Es wurden deshalb sogenannte „Core-Shell“-Faser hergestellt, die entsprechend zwei Schichten im Faseraufbau aufweisen. Dadurch kann die Menge der zur Faserherstellung benötigten Peptide reduziert werden was zu einer Kostenreduktion bei der Faserherstellung führt.

Die Core-Shell-Fasern wurden hinsichtlich ihrer antimikrobiellen Eigenschaften untersucht, hier zeigten die Fasern mit eingebetteten funktionellen hochgeladenen Peptiden im Adhäsionstest eine antimikrobielle Wirkung. Die Core-Shell-Fasern wiesen eine hohe Flexibilität aus und konnten in ein Gewebe geflochten werden.

Mit den im Projekt gewonnenen Erkenntnissen kann ein alternativer, neuartiger Ansatz zur Herstellung von Fasern aufgezeigt werden, der die Herstellung von textilen Implantaten wie Herniennetze ermöglicht.