Funktionale Oberflächen

Nanostrukturen haben ein großes Potential, Oberflächen mit speziellen Funktionalitäten auszustatten, ohne die sonstigen Eigenschaften eines Bauteils zu verändern.

Erzeugung von superhydrophoben Oberflächen mit ultrakurzen Laserpulsen

Durch besondere Mikro- oder Nanostrukturen lassen sich auf bestimmten Materialien (z.B. Polypropylene) superhydrophobe Oberflächeneigenschaften auf der Basis des Lotus-Effekts erzeugen. Die bisherigen Verfahren zur Erzeugung der genannten Oberflächenfunktionalität basieren entweder auf chemischen Oberflächenmodifikationen, oder sind auf spezielle Beschichtungsverfahren begrenzt. Ein kostengünstiges Replikationsverfahren ermöglichen diese Methoden allerdings nicht. Daher wurde im LLG in Zusammenarbeit mit mehreren Projektpartnern ein Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe sich Replikationswerkzeuge mit periodischen Mikrostrukturen herstellen lassen. Um eine hohe Lebensdauer der Werkzeuge zu gewährleisten, ist es notwendig, sie aus wiederstandsfähigen Materialien wie z.B. Werkzeugstahl herzustellen. Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit solcher Materialien müssen ultrakurze Laserpulse für die Oberflächenstrukturierung im Mikro- oder Nanometerbereich verwendet werden. Um die verfügbare Laserleistung optimal zu nutzen, werden hocheffiziente diffraktive Phasenmasken eingesetzt. Hierfür kam eine vom LLG eingeführte Methode zum Einsatz (Journal of Laser Micro/Nanoengineering 4, 100 (2009), Appl. Phys. A101, 225 (2010)).
Die so hergestellten Phasenelemente können zur schnellen und effizienten Laserbearbeitung von metallischen Formeinsätzen verwendet werden. In einem darauf folgenden Abformungsverfahren lassen sich die lasererzeugten Mikrostrukturen auf Kunststoffoberflächen in Form von periodischen Mikrozäpfchen übertragen, wodurch die gewünschte Benetzungseigenschaft erzielt wird.

Laserstrukturierung von Implantat-Oberflächen zur Reduktion der Anhaftung von Knochenzellen

In der modernen Medizin kommen zahlreiche Arten von medizinischen Implantaten zum Einsatz, darunter auch solche, welche nicht dauerhaft im Körper verbleiben. Oft ist ein Einwachsen des Implantats unerwünscht, vor allem bei der Versorgung von Knochenbrüchen mit Hilfe von Trauma-Implantaten oder bei Marknägeln. Daher werden Möglichkeiten gesucht, die Implantatoberfläche dahingehend zu verändern, dass den Knochenzellen die Haftung erschwert und somit Einwachseffekte verringert werden. Eine reduzierte Zelladhäsion auf der Implantatoberfläche verspricht eine komplikationsfreiere Operation bei der Entfernung des Implantates, insbesondere ein verringertes Risiko einer Nervenschädigung.

Häufig wird für Trauma-Implantate oder Marknägel medizinischer Edelstahl als Werkstoff verwendet. Unter der Zielsetzung „Licht als Werkzeug“ wurden gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen verschiedene Methoden zur Oberflächenfunktionalisierung von medizinischem Edelstahl angewandt und hinsichtlich der Zelladhäsion untersucht. Am LLG wurden dazu ultrakurze Pulse zur berührungslosen, topografischen Direktstrukturierung von Edelstahloberflächen eingesetzt. So wurden auf der Probenoberfläche periodische Muster mit einer Periodizität von 0,5-1,5 µm erzeugt mit verschiedenen Strukturtiefen von ca. 200 – 1000 nm.

 

Die strukturierten Proben wurden mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) geprüft und charakterisiert. Anschließend wurden sie zur biologischen Testung mittels Zellkultur am Fraunhofer IFAM mit osteoblastenähnlichen MG63-Zellen behandelt. Es erfolgte eine optische Auswertung des Einflusses der Strukturen auf die Zellen mittels Fluoreszenzmikroskopie. Dabei zeigten sich in allen strukturierten Bereichen der Proben eine deutlich verminderte Zellbedeckung sowie eine stark verringerte Zellvernetzung. Damit konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, durch periodische Strukturierung eine reduzierte Zelladhäsion auf Implantatoberflächen hervorzurufen.

 

 

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Laser-Laboratorium Göttingen e.V. (LLG)

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"Kurze Pulse / Nanostrukturen"

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