Life Sciences Engineering

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie

 

Im Geschäftsfeld »Life Sciences Engineering« erforscht und entwickelt das Fraunhofer IPT zukunftsweisende Technologien für das gesamte Produktspektrum der Lebenswissenschaften, von der Pharmaindustrie und Biotechnologie bis hin zur Medizintechnik. Als produktionstechnisches Forschungsinstitut verfügen wir von Haus aus über langjährige Erfahrung mit Produktionsprozessen, Fertigungsverfahren, messtechnischen Systemen, Prozessautomatisierung sowie dem Technologie- und Qualitätsmanagement. Dieses Wissen nutzen wir seit mehreren Jahren auch gewinnbringend für die Anwendung in den Life Sciences.

In einem interdisziplinären Team von Experten aus Ingenieurwissenschaftlern, Biologen und Medizinern erarbeiten wir individuelle Konzepte und technische Lösungen für den gesamten Prozess der Produktentstehung und begleiten unsere Kunden vom Beginn der Vorlaufforschung bis hin zur Marktausrichtung und abschließenden Zertifizierung. Durch unser bewährtes Netzwerk können wir außerdem auf das Know-how weiterer wissenschaftlicher Einrichtungen in Deutschland und den USA zugreifen: Eine besonders enge und fruchtbare Zusammenarbeit verbindet uns mit dem Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen, dem Fraunhofer Center for Manufacturing Innovation CMI in Boston und der Boston University.

Unsere Aktivitäten im Geschäftsfeld sind in die folgenden Bereiche gegliedert:

Fertigungstechnologien für Medizinprodukte

Für die Entwicklung neuer Produkte kommen in der Medizintechnik-Branche neben den klassischen Fertigungsverfahren immer wieder neue Technologien zum Einsatz. Das Fraunhofer IPT entwickelt dafür Fertigungstechnologien und Prozessketten, vor allem für die Herstellung chirurgischer Instrumente und Implantate.

Auslegung und Herstellung miniaturisierter Faserverbundprofile

Mit unseren Fertigungsverfahren »Mikro-Pultrusion« und »Mikro-Pullwinding« lassen sich nahezu beliebig lange Faserverbundprofile mit geringen Durchmessern unter 500 µm herstellen. In der Medizintechnik können solche Profile überall dort eingesetzt werden, wo Metalle aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften ausscheiden und dennoch höchste Ansprüche an mechanische Eigenschaften oder an die Funktionsintegration gestellt werden. Dies gilt beispielsweise für Operationsinstrumente, die bei minimalinvasiven Interventionen im Magnetresonanztomographen eingesetzt werden. Um die geforderten mechanischen, optischen oder thermischen Eigenschaften für Medizinprodukte zu erreichen, verarbeiten wir eine Vielzahl von Kunststoffen und Verstärkungsfasern.

Mikro- und Präzisions-Mehrachsfräsen

Die prozesssichere Herstellung anatomisch geformter Knochenplatten aus Titan oder patientenindividuell angepasster Dentalinlays aus Keramik erfordert eine speziell angepasste Prozesstechnologie und Peripherietechnik. Gemeinsam mit spezialisierten Unternehmen und Zuliefern aus der Medizintechnik entwickeln wir effiziente Fräsprozesse, formangepasste Fräswerkzeuge mit optimierten Schneidkanten, Schnittstrategien für unterschiedliche Werkstoffe und prozesssichere Bahnführungsstrategien. Wir integrieren die entwickelten Einzeltechnologien in die bestehende Anlagentechnik unserer Kunden und begleiten sie bis in die Anlaufphase der Produktion.

Entwicklung und Fertigung von Komponenten aus Faserverbundkunststoff

Komponenten aus faserverstärkten Kunststoffen finden wegen ihrer Röntgentransparenz, Autoklavierbarkeit, Biokompatibilität und exzellenter mechanischer Eigenschaften Anwendung in verschiedensten Bereichen der Medizintechnik. Für den Einsatz in Medizinprodukten entwickeln wir sowohl faserverstärkte Verbundbauteile als auch Komponenten aus hybriden Materialverbünden. Zu unseren Dienstleistungen zählen neben der Bauteilauslegung und -fertigung auch die Qualifizierung von Bauteil- und Laminatqualitäten. Für die Fertigung von Faserverbundkomponenten entwickeln und optimieren wir Verfahren zum Fiber-Placement, laserunterstützten Tapelegen, Wickeln und Thermoformen und verfügen darüber hinaus über langjährige Erfahrungen im Handlaminieren, in der Prepregtechnik sowie in der Fertigung von Sandwichstrukturen.

Messtechnische Systeme für Anwendungen in den Life Sciences

In biotechnologischen Herstellungsprozessen aber auch in vielen medizinischen Anwendungen müssen Zustände von Zellen und Geweben hochgenau erfasst und bewertet werden. Zur Zustandserfassung und Qualitätssicherung von Prozessgrößen entwickelt das Fraunhofer IPT Hochdurchsatzverfahren, die in automatisierte Produktionsanlagen integriert werden können. Bei diagnostischen Anwendungen liegt der Schwerpunkt auf der nicht-invasiven tomografischen Bildgebung.

Diagnostische Systeme

Wir entwickeln individuelle diagnostische Systeme auf Basis der optischen Kohärenztomographie (OCT). Dabei decken wir die komplette Bandbreite der Entwicklung ab: Wir bauen die Messmodule auf, implementieren Algorithmen zur Bildverarbeitung und entwickeln bei Bedarf individuelle Fasersonden. Die OCT wird bereits erfolgreich zur automatisierten Qualitätskontrolle künstlicher Hautproben und zur morphologischen Diagnostik an Knorpelgewebe eingesetzt.  Außerdem befassen wir uns mit dem Design und der Herstellung spezieller Nanoantennen für die diagnostische Infrarotspektroskopie.

Messsysteme für Hochdurchsatzverfahren

Das Fraunhofer IPT entwickelt Messtechnik für Laborprozesse – von Systemen für die manuelle Zellkultur bis hin zu automatisierten biotechnologischen Produktionsanlagen. Wir integrieren kommerziell verfügbare Messgeräte zur zellulären Qualitätskontrolle in automatisierte Anlagen oder entwickeln eigene Lösungen, falls die verfügbaren Systeme die gewünschten Anforderungen noch nicht erfüllen können. Ein Beispiel bietet die Hochgeschwindigkeits-Mikroskopie. Hier haben wir ein System entwickelt, das den Durchsatz an Proben deutlich verbessert. Es lässt sich in die meisten handelsüblichen Mikroskope integrieren und reduziert den Zeitbedarf beim Mikroskopieren eines Zellkulturgefäßes erheblich.

Handling und Charakterisierung von Zellen

Die Charakterisierung biologischer Proben von Zellen und Gewebe erfolgt meist mit Hilfe mikroskopischer Methoden. Das Fraunhofer IPT entwickelt nicht nur die automatisierte Fluoreszenzmikroskopie weiter, sondern setzt außerdem je nach Anwendungsfall auf neue Methoden wie die digitalholographische quantitative Phasenkontrastmikroskopie, optische Pinzetten oder die Lichtscheibenmikroskopie.

Mit der digitalholographischen quantitativen Phasenkontrastmikroskopie lassen sich markerfrei und minimalinvasiv 2,5-dimensionale Darstellungen biologischer Proben erstellen. Multifokale optische Pinzetten erlauben das Einfangen, Manipulieren und Bewegen biologischer Zellen. Die Lichtscheibenmikroskopie eignet sich aufgrund ihrer strukturierten Beleuchtung dazu, die Auflösung in der Fluoreszenzmikroskopie zu erhöhen.

Automatisierungstechnik für Laborprozesse

In enger Zusammenarbeit von Biologen und Ingenieuren entwickeln wir am Fraunhofer IPT Konzepte für die Automatisierung von Laborprozessen – von individuellen Sondermessgeräten bis hin zur Automatisierung komplexer biologischer Zellkulturprozesse.

Entwicklung von Konzepten zur Automatisierung von Laborprozessen

Bei der Analyse und Überführung Laborprozessen in Automatisierungskonzepte stehen die Anforderungen des Kunden stets im Mittelpunkt: Doch oft ist ein direkter Transfer der biologischen Protokolle in die Automatisierungstechnik nicht möglich. Deshalb bündeln wir unsere technischen und biologischen Kompetenzen und passen Teilprozesse adaptiv an die Automatisierungsaufgabe an. Dabei greifen wir nicht nur auf etablierte Lösungen in Form handelsüblicher Geräte zurück, sondern entwickeln  auch völlig neue Lösungen. So könne wir unseren Kunden ein anforderungsgerechtes Anlagenkonzept anbieten, das wir schließlich genau an die geforderten Protokolle anpassen. Indem wir unsere Kunden eng in die Konzeptionsphase einbeziehen, können diese schon früh Einfluss auf qualitätsrelevante Parameter nehmen. Nur so gelingt es, alle wichtigen Anforderungen in den Automatisierungskonzepten zu berücksichtigen.

Integration von Geräten in Produktionsanlagen und individuelle Einzelmodule

Obwohl bereits eine Vielzahl an Geräten zur Laborautomatisierung am Markt erhältlich sind, können längst nicht alle Kundenwünsche befriedigt werden. Vorhandene Lösungen bieten oft nicht den gewünschten Durchsatz, sind komplex in der Bedienung oder technologisch überdimensioniert. 

Deshalb bietet das Fraunhofer IPT individuelle Einzelmodule. Anhand marktüblicher Laborgeräte verschiedenster Hersteller können einzelne Prozesse teilautomatisiert werden. Besonders personalintensive Handhabungsprozesse in vor- und nachgelagerten Prozessschritten können vielfach durch geeignete Systeme zur Teilautomatisierung ersetzt werden.

Anlagenautomatisierung für die Life Sciences

Das Fraunhofer IPT erarbeitet Lösungen für eine flexible Laborautomatisierung in Form eines Baukastensystems. Die Grundlage dafür bilden vorhandene Laborgeräte marktüblicher Hersteller kombiniert mit eigenen Neuentwicklungen.

Die modulare Bauweise erlaubt individuelle Lösungen für die geforderten Prozesse. Die Ergonomie der Anlagenbedienung spielt dabei eine entscheidende Rolle. Der Kunde kann hier schon während der Konzeptentwicklung großen Einfluss nehmen. Das modulare Baukastensystem bietet damit eine hohe Flexibilität und lässt sich leicht um weitere Bestandteile erweitern. Die Neuentwicklungen können außerdem in vorhandene Anlagen integriert an weitere Protokolle angepasst werden.

Sowohl die Dokumentation als auch die Handhabung lassen sich voll automatisieren. Der Kunde kann dadurch je nach Produkt unterschiedliche Protokolle abarbeiten und personalintensive Prozessschritte reduzieren. Durch den vollautomatisierten und damit wiederholbaren Prozessablauf lassen sich unabhängig von personellen Randbedingungen reproduzierbare Ergebnisse erzielen – unter Ausschluss von Störfaktoren und zugunsten einer höheren Produktqualität.

Technologien für die Fertigung funktionaler Mikrostrukturen

Bei der Entwicklung von Produkten in den Lebenswissenschaften spielt die Interaktion zwischen Organismen oder Zellen und technischen Oberflächen eine zentrale Rolle. Durch geeignete Fertigungsverfahren lassen sich gezielt Mikrostrukturen erzeugen, die diese Interaktion maßgeblich beeinflussen. Das Anwendungsspektrum reicht von der Strukturierung von Implantaten bis hin zu mikrostrukturierten Disposables für Zellkulturprozesse, um Proliferationseigenschaften zu beeinflussen.

Laserstrukturierung

Das Laserstrukturieren ist ein abtragendes Verfahren, bei dem anhand kurzer Laserpulse Werkstoff verdampft wird. Dadurch lässt sich der Werkstoff berührungslos und verschleißfrei bearbeiten.

So lassen sich Strukturen im Bereich weniger Mikrometer in unterschiedliche Oberflächen einbringen. Indem die Maschinenachsen zur Bauteilpositionierung mit optischen Achsen zur schnellen Strahlablenkung gekoppelt werden, kann das Lasersystem selbst große, zusammenhängende und hochkomplexe Freiformoberflächen bearbeiten. Das automatisierte Verfahren ist außerdem in der Lage flexibel reproduzierbare Ergebnisse mit unterschiedlichsten Designs und Strukturen zu erzielen. Regelmäßige Strukturen für tribologische Anwendungen können ebenso gefertigt werden wie komplexe, unregelmäßige Strukturen für Mikrofluidik- und Designanwendungen.

Das Laserstrahlstrukturieren eignet sich für nahezu alle Werkstoffe: von metallischen Formwerkzeugen für die Massenfertigung bis hin zu Kunststoffen, Keramiken oder Gläsern in der Prototypenfertigung. Bei Kunststoffen und Gläsern lassen sich außerdem bearbeitungsbedingte chemische Veränderungen in der Randschicht verhindern. Daher eignet sich das Verfahren besonders für biologische und medizintechnische Anwendungen.

Diamantzerspanung

Durch die Zerspanung mit Diamantwerkzeugen lassen sich diskrete Oberflächenstrukturen erzeugen – von scharfen Kanten bis hin zu abgerundeten Strukturen. Die Oberflächenrauheit (Ra) kann dabei, je nach Fertigungsverfahren, im niedrigen einstelligen Nanometerbereich liegen und es lassen sich beliebige Oberflächengeometrien, von planen Flächen bis zu stark gekrümmten dreidimensionalen Oberflächen fertigen. Die Bauteilgröße kann dabei wenige Millimeter, aber auch mehr als einen Meter Kantenlänge betragen. Die strukturierten Flächen werden häufig als Spritzgusswerkzeuge für die Replikation von Disposables und optischen Komponenten eingesetzt.

Mikroproduktion in drei Dimensionen – kleine Strukturen mit großen Anwendungen

Mit dem Verfahren der Zwei-Photonen-Polymerisation können beliebige dreidimensionale Strukturen im Submikrometer-Bereich hergestellt werden: Fanden sich die Anwendungsgebiete dafür bisher vor allem in der Optik und Photonik, Sensorik oder Mikrofluidik, gewinnt diese neue Technologie inzwischen auch im Life Science Engineering an Bedeutung. Ganz gleich ob filigrane, individuell angepasste Zellgerüste aus verschiedenen Materialen, Oberflächenstrukturen aus unterschiedlichsten Geometrien oder definiert poröse Membranen – die Zwei-Photonen-Polymerisation eignet sich für bisher undenkbare Strukturdesigns.

Technologie- und Qualitätsmanagement in den Life Sciences

Die Branchen der Medizintechnik und Biotechnologie zeichnen sich durch sehr kurze Produktlebenszyklen aus. Um den Produktentstehungsprozess und die Markteinführung optimal zu gestalten, entwickelt das Fraunhofer IPT Qualitäts- und Risikomanagementsysteme speziell für diese Branchen und unterstützt Unternehmen in Technologiefragen mit Marktstudien und Prozessanalysen.

Entwicklung und Optimierung von Qualitäts- und Risikomanagementsystemen

In den Life Sciences sind die Anforderungen an Produkte und deren Herstellung besonders hoch. Um ihnen zu begegnen und Produkte sicher und effizient zur Marktreife zu bringen, entwickeln und optimieren wir individuelle Qualitäts- und Risikomanagementsysteme für Unternehmen der Medizintechnik- und Biotechnologie-Branche, Der integrierte Einsatz etablierter und neu entwickelter Qualitätsmanagement-Methoden spielt dabei von der Produktentwicklung bis zur -nutzung eine herausragende Rolle, denn nur so lassen sich Risiken frühzeitig identifizieren und behandeln.

Unterstützung von Zertifizierungsprozessen

Für eine Zertifizierung nach ISO 13485/14971 oder den cGMP bildet die Implementierung von Qualitäts- und Risikomanagementsysteme eine wichtige Voraussetzung. Das Fraunhofer IPT unterstützt Sie dabei, diese Managementsysteme gemäß der geltenden Normen auszugestalten und stellt sicher, dass Sie dabei alle gesetzlichen und regulatorischen Anforderungen erfüllen. So schaffen Sie die Grundlage für ein erfolgreiches Compliance Management.

Technologieberatung

Für eine erfolgreiche Entwicklung und Markteinführung von Technologien, unberücksichtigt ob für die Lebensmittelschaften, Pharmaindustrie oder Medizintechnik, ist ein maßgeschneidertes Technologiemanagement erfolgsentscheidend. Hierbei beraten wir von der Konzeption eines Technologiemanagements bis hin zur inhaltlichen Ausgestaltung der Strategien, Prozesse und Methoden. Mithilfe eines stringenten, methodenunterstützen Technologie-Roadmapping-Prozesses kann der zukünftige Einsatz von Technologien und Produkten im Life Sciences Bereich systematisch geplant werden. Hierbei ermitteln wir anhand von z.B. Trendanalysen die spezifischen Kunden- und Marktanforderungen an bestimmte Technologien und Produkte für Life Sciences Anwendungen.

Gemeinsam mit unseren Kunden planen wir die Einführung der Technologie in den Markt. Daneben bieten wir Technologie- und kompetenzbasierte Diversifikationen an. Hierbei zeigen wir auf, wie Kompetenzen und Technologien genutzt werden können, um neue Märkte zu erschließen oder bestehende Märkte sinnvoll erweitert werden können. Wir bewerten die Attraktivität von Diversifikationen für Unternehmen und schaffen so eine solide Entscheidungsgrundlage.

Prozessoptimierung

Das steigende Beschaffungsvolumen sowie die höhere Komplexität und Vielfalt der zu beschaffenden Produkte, stellen Unternehmen vor große Herausforderungen. Hier gilt es, den Überblick über die Materialkosten zu behalten und unterschiedliche Lieferantenangebote hinsichtlich ihrer Funktionalität und Qualität zu bewerten. Wir unterstützen Unternehmen in der Konzeption, Implementierung und Durchführung von Kostenoptimierungsprojekten und identifizieren belastbare Einsparpotenziale im Produkteinkauf.

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