Rolle-zu-Rolle Produktionsanlage und -prozess zur effizienten Immobilisierung von Proteinen (MNT-BIOREEL)

Problemstellung:
Es ist bekannt, dass die Funktionalisierung von Zellkulturbehältern (Bioreaktoren) mit Proteinen zu einem Zellverhalten führt, das mit dem von natürlichem Gewebe vergleichbar ist. Diese Tatsache wurde bisher erst in geringem Maß von der modernen biotechnischen Industrie genutzt. Es besteht daher ein starker Bedarf an Produktionsausrüstungen, welche eine effiziente mikrostrukturierte Oberflächenfunktionalisierung im industriellen Maßstab erlauben. Heutzutage werden die notwendigen biologischen Materialien durch komplexe und teure Kulturmedien oder durch sogenannte Feeder-Zellen bereitgestellt. Letztere sind in ihrer Herstellung anfällig für virale Infektionen und machen somit den Gebrauch für regenerative Gewebezüchtungen nicht möglich. Des Weiteren konnten Mikrostrukturen bisher nur auf spröden und starren Materialien hergestellt werden, eine hocheffiziente industrielle Fertigungsmethode, wie das Rolle-zu-Rolle-Verfahren mit flexiblen Materialien, gab es nicht.

Ziel:
Ziel war es, einen großflächigen, rotativen Immobilisierungsprozess von biologischen Molekülen auf biokompatiblen Polymerfolien mit Eignung für in-vitro-Zellkultivierungen zu entwickeln und die effizienten Rolle-zu-Rolle Produktionslinien aufzubauen. Der Demonstrator erlaubte dabei die strukturierte Bio-Funktionalisierung von Polymerfolien in einem einzigen Prozessdurchlauf. Die biologischen Strukturen in mikrostrukturierter Anordnung sollten ihre dreidimensionale Struktur und somit ihre biologische Aktivität behalten, die laterale Strukturauflösung beträgt dabei weniger als 10 Mikrometer. Die biologische Effizienz und Wirksamkeit der Methode sollte beispielhaft am Bedeckungsgrad von kultivierten Keratinozyten nachgewiesen werden.

Vorgehensweise:
Das Projekt BIOREEL verknüpfte die Wissensgebiete der Biotechnologie und Zellbiologie mit produktionstechnischen Rolle-zu-Rolle-Prozessverfahren im Mikromaßstab. Erste Stempeldruckexperimente mit unterschiedlichen Mikrostrukturen an ausgewählten Folienmaterialien wurden unter anderem nach Zellmorphologie, -adhäsion, -migration und -proliferation bewertet. Diese Form des Tiefdrucks von Proteinen wurde versuchsweise in eine einfache Rolle-zu-Rolle-Anlage implementiert. Eventuell nötige Zwischenschritte mit einem Bindungspeptit (Streptavidin) wurden geprüft. Die aus den Vorarbeiten erarbeiteten Erkenntnisse flossen anschließend in den Aufbau einer demonstrativen Rolle-zu-Rolle Produktlinie ein. Die mit diesem Demonstrator funktionalisierten Folien wurden schließlich bezüglich ihrer biologischen Wirkung auf das Verhalten biologischer Zellen evaluiert.

Anwendung:
Diese Ergebnisse werden zukünftig in fast alle Fachrichtungen der Biowissenschaften transferiert, in denen mikrostrukturierte Biopolymere eingesetzt werden. Die Ergebnisse können beispielsweise in der Arzneimittelentwicklung, bei der Entwicklung von künstlichen Geweben und der Standardisierung von Transplantaten eingesetzt werden. Ein wichtiger Markt sind die In-Vitro-Diagnostik und die damit verbundenen Point-of-Care Anwendungen. Die Projektergebnisse eröffnen neuartige Anwendungen für Präge- und Druckwalzen mit verbesserten Mikrostrukturierungsprozessen sowie für die Herstellung von Sondermaschinen für den Biotechnologiemarkt.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• Saueressig GmbH + Co.KG