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Biodegradierbar, osteochondral und maßgeschneidert: 3D-Lithographie (2PP) ermöglicht erstmals Herstellung von monolithischen, bioabbaubaren 3D-Scaffolds von einem Kubikzentimeter in unter 1,5 Stunden

Würzburg/Heiligenstadt. – Multiphoton Optics ist es mittels seiner Kerntechnologie 3D-Lithographie via Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) erstmals gelungen, ein biodegradierbares, osteochondrales 3D-Scaffold (3D-Trägerstruktur) von ca. einem Kubikzentimeter in weniger als eineinhalb Stunden und in nur einem Prozessschritt herzustellen. Durch die zeitsparende Herstellung von monolithischen biphasischen Implantaten für Anwendungen in der Regenerativen Medizin können Implantate zukünftig dem Bedarf angepasst und z.B. unmittelbar vor einer Operation hergestellt werden. Ein weiterer großer Vorteil beim Einsatz von biodegradierbaren, maßgeschneiderten Knochen-Knorpel-Implantaten besteht darin, dass es im Falle eines krankheitsbedingten Defekts nur noch eines einzigen operativen Eingriffs am Patienten bedarf, und somit zur Minimierung der Kosten im Gesundheitswesen wesentlich beiträgt.

Grundlage für die technologische Umsetzung ist ein Prototyp der Multiphoton Optics 3D-Druckplattform LithoProf3D®, der durch eine weitere Automatisierung von Prozessschritten innerhalb der Anlage und der von Multiphoton Optics entwickelten Steuersoftware speziell auf die Herstellung von Scaffolds optimiert wurde. Die Entwicklung erfolgt im Rahmen des durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts Poly-IMPLANT-Druck. Projektziel ist die Herstellung, Analyse und Einsatztests von monolithischen biphasischen Implantaten zur Stimulation der Geweberegeneration von Knochen-Knorpel-Defekten. Die hergestellten 3D-Scaffolds fungieren sowohl als mechanischer Träger, als auch als bioaktives Gerüst, welches den Zellen einen optimalen Nährboden zum Wachstum bietet. Das auf einem biomimetischen Design vom iba Heiligenstadt e.V. basierende Scaffold weist eine Höhe von 10 und einen Durchmesser von 7 Millimetern auf und ist durch eine Trennschicht in eine 3 Millimeter hohe Knorpel- und eine 7 mm hohe Knochenphase unterteilt (siehe Abbildung 1). Durch freie Designgestaltung können die mechanischen Eigenschaften wie z.B. Porosität und E-Modul der jeweiligen Phasen so angepasst werden, dass sie den echten Vorbildern von Knochen und Knorpel sehr nahekommen. Der entwickelte Prototyp ermöglicht eine Herstellung der ca. 1 cm3 großen Scaffolds innerhalb von 1,5 Stunden, was einen ersten wichtigen Schritt in Richtung Skalierbarkeit darstellt. Als biodegradierbares Material kam das durch das iba Heiligenstadt e.V. entwickelte Poly-((D, L)-Lactid-co-ε-Caprolacton)-dimethacrylat (LCM3) zum Einsatz, was später durch Poly(Amid-co-ε-Caprolacton)-dimethacrylat (ACM) ersetzt werden soll, da letzteres besser vom Körper abgebaut werden kann. Zell- und Befüllungstests der Scaffolds werden derzeit beim iba Heiligenstadt e.V. und weiteren Projektpartnern durchgeführt, wonach die nächsten Jahre eine Tierstudie folgen soll.

Eine weitere Steigerung des Automatisierungsgrades der Anlage soll den Produktionsdurchsatz in Zukunft noch weiter erhöhen und eine Serienfertigung, auch in anderen Anwendungsbereichen, ermöglichen. Darüber hinaus erschließen sich für die Zukunft durch individuell designte 3D-Scaffolds neue Therapiewege im Rahmen einer personalisierten Medizin.

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Multiphoton Optics GmbH
Multiphoton Optics GmbH, based in Würzburg, Germany, is a global solution provider for 3D lithography via Two-Photon Polymerization (TPP). This disruptive technology enables the production of complex functional structures in microoptics and microsystem technology, optical connection technology, micromechanics, and biomedical engineering. With the modular built 3D printing platform LithoProf3D®-GSII, Multiphoton Optics sets accents in the high-precision production of structures with the highest throughput. Highly complex structures can be produced in a single process step without the need for subsequent separation of fresh material as in conventional 3D printing technologies (e.g. metal 3D printing or stereolithography). Other advantages of this technology include a resolution below the diffraction limit, accuracy and scalability, integration into nano- and microfabrication processes, printing from optical components, and on-device printing: structures can be printed directly on active (LEDs, photodiodes, EELs, VCSELs) or passive (fibers, irregular substrates) components. The realization of completely new designs, the further miniaturization and the rationalization of manufacturing processes significantly accelerate the market launch of products and, thus, unlock significant cost savings for customers. Main activities • 3D Lithography via Two-Photon Polymerization (TPP) • Optical Interconnects (OI) / Packaging • Aspheres and free-form optics • Biomedical Engineering Services • Implementation of TPP manufacturing processes • Prototyping and small series production • Construction of TPP equipment Main areas of research and development • Optimization of TPP manufacturing processes • Development of application-specific software and hardware modules Special facilities High-precision 3D printing equipment, special analytics Technology partners Industry, institutes, and universities Current top technologies Manufacture of arbitrarily shaped 3D free-form surfaces and structures over over several orders of magnitude, with a focus on optical interconnects (OI), and micro-optics.