Smarte Lebenswissenschaften
Ob hochauflösende Bildgebung, schonende und präzise Laserbehandlung, digitales Screening oder individualisierte Medizintechnik - wir arbeiten an smarten Lösungen für die zukünftigen Fragestellungen in den Lebenswissenschaften und der Biomedizin. Dazu gehören Systeme für das Hochdurchsatzscreening genauso wie neuartige Lichtquellen für eine hochauflösende Bildgebung direkt im Operationssaal. Außerdem beschäftigen wir uns mit der Herstellung patientenindividueller Implantate sowie mit der Funktionalisierung von Implantatoberflächen. Mit unserer Forschung wollen wir individuelle, sichere und neuartige Behandlungsmethoden ermöglichen und etablieren.
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Dr. rer. nat. Tammo Ripken
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Smarte Lebenswissenschaften in der Übersicht:
Lasermedizin
Smarte Lasermedizin ermöglicht in Zukunft intelligente Steuerungen, die den Arzt optimal unterstützen. Ziele der Technologieentwicklungen sind die Verkürzung von Operations- und Behandlungszeiten. Wir entwickeln innovative, laser- oder lichtbasierte Behandlungsmethoden und übertragen sie in die Praxis. Denn Lasermedizin ermöglicht die äußerst schonende Behandlung von Gewebe und damit minimal-invasive individuelle Therapien für den Patienten. Neben der praktischen Forschung und Entwicklung beraten und begleiten wir bei der Zulassung neuer Verfahren, mehr dazu in unserem Bereich Regulatory Affairs.
Laser werden inzwischen standardmäßig für Operationen am Auge eingesetzt, ein Beispiel, das von uns mitentwickelte Verfahren fs-LASIK. Um den Laser auch für andere Erkrankungen des Auges anwenden zu können, entwickeln wir neue Methoden oder übertragen etablierte Behandlungen auf andere Zielgebiete im Auge. Wir arbeiten z.B. an der Behandlung von Floatern (oder: Mouches Volantes), Presbyopie oder Keratokonus. Dafür setzen wir Ultrakurzpuls-Laser ein, mit denen Gewebe sehr schonend und exakt bearbeitet werden können. Außerdem nutzen wir optische Bildgebung wie Optische Kohärenztomografie, für die bestmögliche Unterstützung bei Diagnose, Navigation und Therapiekontrolle. Neben der Prozess- und Systementwicklung beschäftigen wir uns weiterhin mit der Biomechanik von Geweben im Auge.
Laser ermöglichen bereits in vielen Bereichen der Chirurgie gezielt und äußerst schonend Haut oder Gewebe abzutragen. Um den Einsatz von Lasern noch weiter auszubauen, forschen wir beispielsweise am Hartgewebeabtrag von Knochen. Damit wollen wir den einfachen und schmerzarmen Austausch von Implantaten ermöglichen. Wir nutzen die Optische Kohärenztomografie (OCT), damit Operateure zukünftig Eingriffe bestmöglich überwachen können. Mit OCT können die obersten Gewebelagen zuverlässig und in Echtzeit abgebildet werden.
Analyseverfahren und Bildgebung
Im Bereich Bildgebung und Analyseverfahren arbeiten wir mit und an verschiedenen Methoden und Verfahren. Dies ermöglicht uns die Kombination dieser Verfahren. Damit wird es möglich, Proben über verschiedene Skalen hinweg darzustellen, zu analysieren und zu korrelieren. Nicht nur können wir so Aussagen über einzelne Zellen und den Zellverband machen, sondern auch ihre Beziehung zu den umliegenden Geweben darstellen. Zudem ist es uns möglich mit OCT Gewebe in Bewegung zu untersuchen. Dabei liegt unser Fokus auch darauf, Bildgebung in (bestehende) Workflows einzubauen. Uns stehen zudem ein Rasterelektronenmikroskop (REM) und ein Computertomograf auf der Nanoskala (Nano-CT) zur Verfügung.
Mit optischen Tomografie-Verfahren können wir mesoskalige biologische oder auch technische Proben vermessen und sogar Implantate in Geweben sichtbar machen. Wir verbessern die von uns entwickelte Scanning Laser Optical Tomography (SLOT) sowie die Lichtblatt-Mikroskopie, die horizontale 2-Photonenmikroskopie und die Optische Kohärenztomografie (OCT) als Technologien, passen sie auf spezifische Fragestellungen hin an und entwickeln sie hin zu kommerziellen Systemen. Des Weiteren optimieren wir die Bildverarbeitung, entwickeln intelligente Auswertealgorithmen und korrelative Darstellungen. Ziel ist dabei beispielsweise eine Auswertung der Bilddaten in Echtzeit zu ermöglichen, um so etwa Operationen zu verkürzen oder durch Big-Data-Analysen genauere Aussagen in den Lebenswissenschaften zu erreichen.
Wir arbeiten an der Korrelation von Bildgebungsmethoden, um möglichst genaue und skalenübergreifende Informationen von Proben zu erhalten. Dazu kombinieren wir das tomografische Verfahren SLOT mit Fluoreszenzspektroskopie, um Fluoreszenzspektren von 3D-Proben aufnehmen. Hiermit erweitern wir die klassischen Mikroskopieverfahren um die komplette räumliche Information. Damit liefern wir neue Tools etwa für die zellbiologische Forschung, in der 3D-Zell-Konstrukte zusehends zweidimensionale Targets verdrängen. Dafür entwickeln wir unsere eigenen smarten Rekonstruktionsalgorithmen. Außerdem setzen wir Raman-Spektroskopie in innovativen optischen Systemen ein. Durch diese methodische Weiterentwicklung erschließen wir neue Anwendungsmöglichkeiten, die vorher an den langen Aufnahmezeiten scheiterten.
Laser-Mikroskopie-Verfahren ermöglichen neben einer hohen Auflösung die Darstellung kleiner dreidimensionaler Volumina - im besten Fall sogar markerfrei. Wir beschäftigen uns mit der methodischen Weiterentwicklung dieser Verfahren und passen sie an neue Anforderungen in Forschung und Entwicklung an. Dabei beschäftigen wir uns insbesondere mit dem smarten Post-Processing der Daten und entwickeln u.a. Software für die automatisierte Quantifizierung. Damit soll es möglich werden, Fragestellungen mit vielen Aufnahmen einfach und schnell auszuwerten und so Big Data-Ansätze anzuwenden. Darüber hinaus kümmern wir uns auch um eine besonders benutzerfreundliche Handhabung der Proben sowohl in der Vorbereitung als auch im Bildgebungsprozess selbst.
Wir arbeiten an neuartigen Lasern und Lasersystemen, um durch kompaktere, kostengünstigere und innovative Lichtquellen neue Einsatzmöglichkeiten der Bildgebung zu erschließen. Dazu arbeiten wir beispielsweise an Ultrakurzpulsquellen mit mehreren Strahlausgängen und schnell durchstimmbaren Wellenlängen vom sichtbaren bis in den Infrarot-Bereich. Mit diesen wollen wir multimodale Bildgebungssysteme ermöglichen. Diese sollen eine Probe innerhalb eines Gerätes mit verschiedenen Bildgebungsverfahren analysieren. Damit wären schnellere und kostengünstigere Untersuchungen von Zellen und Geweben - perspektivisch sogar während einer Operation - möglich.
Biophotonik
Im Bereich der Biophotonik manipulieren und steuern wir präzise Materialien und Zellen. Der Einsatz von Licht in der Biologie eröffnet neue Möglichkeiten in der Forschung, aber auch für die Behandlung von Krankheiten. Digitale Prozesse und Automatisierung erlauben einen hohen Durchsatz bei hoher Reproduzierbarkeit. Wir entwickeln smarte Methoden und Protokolle, aber arbeiten auch an der Entwicklung ganzer Systeme für die Anwendung in Forschung und Industrie.
Wir nutzen Licht, um gezielt Biomaterialien und Stoffe, die mit Zellen und Geweben in Berührung kommen, zu manipulieren. Mit laserbasierten Prozessen erstellen wir Gerüste (sog. Scaffolds) für die Gewebezüchtung (eng. Tissue Engineering) oder nutzen Hydrogele, um sie als biokompatible Lichtleiter oder Sensoren zu implantieren. Durch Lasereinstrahlung können Materialeigenschaften lokal verändert werden. Wir nutzen dieses Prinzip, um Zellen selektiv und gezielt auf Oberflächen zu platzieren und damit genauere Untersuchungen, etwa für Drug Screening, zu ermöglichen.
Die Optogenetik bietet vielfältige Möglichkeiten, Zellen und deren Verhalten durch Licht zu steuern. Wir arbeiten an optischen Schaltern und den dazugehörigen Prozessen, um diese - auch im Hochdurchsatzverfahren - zu steuern. Wir beschäftigen uns außerdem mit der Produktentwicklung für den unkomplizierten Einsatz der optogenetischen Protokolle. Dafür stellen wir Kits zusammen und evaluieren sie.
Die lichtbasierte Manipulation von Zellen ist sehr schonend und hocheffizient. Wir entwickeln darauf basierend neue Anwendungen bis hin zu automatisierten Prototypen für den Hochdurchsatz und begleiten zusammen mit Partnern die Umsetzung bis hin zur Marktreife. Unser GNOME-System ermöglicht etwa die automatisierte und präzise Goldnanopartikel-gestützte Laser-Zelltransfektion im Hochdurchsatz. Neben der schonenden Einflussnahme wird auch die gezielte Inaktivierung von Bakterienzellen erforscht. Hier werden beispielsweise lichtbasierte Verfahren eingesetzt, um implantierte bzw. implantierbare Materialien keimfrei zu halten.
Wir entwickeln Hochdurchsatzverfahren für die Forschung und Entwicklung und arbeiten an der Automatisierung von biologischen Standardverfahren und Auswertungen. Dabei beschäftigen wir uns mit der Prozesskontrolle und der Integration von Software, Prozessen und Systemen in vorhandene Abläufe und Geräte. Ebenso beschäftigen wir uns mit der Stimulation von Zellen durch Licht. Verschiedene Mechanismen wie direkte (Nerven-)Zellstimulation oder Stimulation durch mechanische Reize mittels Optoakustik kommen je nach Anwendungsgebiet zum Einsatz.
Medizintechnik
Die Lasermaterialbearbeitung eröffnet weitreichende Möglichkeiten für die Medizintechnik von morgen. Wir arbeiten an Verfahren für den 3D-Druck, beschäftigen uns mit den Auswirkungen von Laserstrahlung auf Materialien für Medizintechnikprodukte und entwickeln Strukturierungen, die Produkten wie Implantaten neue Eigenschaften geben. Dabei setzen wir häufig auf Ultrakurzpulslaser, da diese eine sehr schonende und flexible Bearbeitung ermöglichen.
Mit additiven Fertigungstechnik im Pulverbett lassen sich Implantate herstellen, die genau auf die Bedürfnisse der Patienten abgestimmt sind. Wir beschäftigen uns mit der Herstellung von Stents sowie von Osteosyntheseimplantaten, Endoprothetik oder rekonstruktiven Knochenimplantaten. Wir verarbeiten Sondermaterialien, wie die Formgedächtnislegierung Nickel-Titan oder bioresorbierbare Magnesiumlegierungen, für smarte Implantate der Zukunft. Für diese und weitere Materialien erforschen wir additive Prozesse, um die Kosten für die Herstellung zu senken, um Individualmedizin bezahlbar zu machen.
Wir forschen am Einsatz von Materialien für den Medizintechnikbereich und testen diese für den 3D-Druck und die Oberflächenbearbeitung. Die Anforderungen an Materialien und Produkte im Medizinbereich sind extrem hoch: Biokompatible Materialien dürfen sich durch die Verarbeitung zu Produkten in ihrer Sicherheit nicht verändern und die Bearbeitung darf keinen Einfluss auf ihre positiven Eigenschaften haben. Dafür passen wir Prozesse, Systeme und Anlagen an diese Erfordernisse an und entwickeln sie weiter. Wir arbeiten an Metallen, Polymeren und Glas und entwickeln Pulverbett-, Auftragschweiß- und Flüssigkeits-basierte Verfahren weiter, um optimale Medizinprodukte möglich zu machen.
Patientenindividuelle und funktionalisierte Hilfsmittel können Leiden lindern oder zur schnelleren Genesung der Patienten beitragen. Durch additive Herstellungsverfahren sollen sich zukünftig individuelle Anfertigungen schnell und kostengünstig umsetzen lassen. Gerade für den orthopädischen Bereich bietet sich viel Potential, um Entlastung für Gelenke zu bieten, Mobilität zu erhöhen oder wiederherzustellen. Wir arbeiten an 3D-gedruckten Hilfsmitteln mit integrierten Funktionen. So können z.B. auch Halterungen für Sensoren oder Kanäle in die Hilfsmittel direkt integriert werden.
Die Oberflächenstrukturierung erlaubt Implantate, Orthesen oder andere relevante Oberflächen mit neuen Funktionen auszustatten. Mit dem Verfahren kann gezielt das Wachstum von Zellen oder Bakterien auf Oberflächen gefördert, gehemmt oder die Wachstumsrichtung vorgegeben werden. Die Besiedelung von Implantaten wird damit aktiv angeregt oder Überwucherungen durch ungewünschtes Gewebe, wie manchmal bei Herzklappen der Fall, werden vermieden. Wir arbeiten außerdem daran, verschiedene Materialien mit hydrophoben oder lipophilen Eigenschaften auszustatten, damit sie leichter zu reinigen sind. Wir entwickeln Prozesse, die die Oberflächen durch Änderung ihrer Topographie oder ihrer chemischen Eigenschaften funktionalisieren.
Regulatory Affairs
Bei der Zulassung von Medizinprodukten und In-vitro-Diagnostika müssen die sogenannten „Regulatory Affairs“, eine Reihe von normativen Vorgängen, berücksichtigt werden. Die Basis für das Inverkehrbringen von Medizinprodukten und In-vitro-Diagnostika in Europa und Deutschland bilden die europäische Medizinprodukte-Verordnung (MDR) sowie die EU-Verordnung für In-vitro-Diagnostika (IVDR) und ihre nationale Umsetzung – das Medizinprodukterecht-Durchführungsgesetz (MPDG). Wir führen diese selbstverständlich für unsere Entwicklungen durch, beraten und unterstützen aber auch Externe bei der Beantragung.
Wir nutzen unsere Expertise aus der Forschung und eigenen Zulassungsverfahren, um beim Inverkehrbringen neuer medizinischer Produkte zu unterstützen. Wir beraten bei regulatorischen Fragestellungen und helfen bei der Dokumentenentwicklung. Wir berücksichtigen dabei die momentan gültigen Verordnungen auf nationaler und der EU-Ebene. Dies sind unsere Themen:
• Beratung und Begleitung während des Konformitätsbewertungsverfahrens bis zur CE-Kennzeichnung
• Abgrenzung und Klassifizierung von Medizinprodukten
• Durchführung von Normen- und Richtlinienrecherchen
• Erstellung einer Technischen Dokumentation nach Risikoklassifizierung
Die Zulassung von Behandlungsmethoden und medizinischen Geräten ist ein komplexer Vorgang. Im Vordergrund steht dabei der Nachweis der Sicherheit und Leistungsfähigkeit eines Medizinproduktes, welcher basierend auf wissenschaftlich fundierten klinischen Daten erfolgen muss. Verstärkt wird dabei nach Daten aus klinischen Prüfungen verlangt. Wir begleiten klinische Prüfungen, ob im Rahmen einer Medizinproduktezulassung oder Machbarkeitsstudie (sonstige klinische Prüfung), und geben unsere Erfahrung mit unseren eigenen Entwicklungen weiter. Dabei beantworten wir regulatorischen Fragestellungen und unterstützen bei der Planung und Durchführung von klinischen Prüfungen sowie bei der Auswertung von klinischen Daten angepasst auf die entsprechende Studienkategorisierung.