Jahresbericht 2019I2020 des Fraunhofer ISC

Die Baustoffindustrie gehört weltweit zu den großen CO₂-Verursachern. Material- und Prozessinnovationen für Bau und Konstruktion sind deshalb ein wichtiger Hebel für die Reduktion der CO₂-Emissionen und das Erreichen der Klimaziele. Das Fraunhofer ISC unterstützt hier schon seit langem nachhaltige Baustoffe, beispielsweise wenn es um die Verwendung von energiesparenden recycelten Zuschlagstoffen bei der Betonherstellung geht.

Aktuell arbeitet das Institut gemeinsam mit europäischen Forschungseinrichtungen und namhaften Industrieunternehmen an einer technologischen Revolution für den Leichtbau mit Beton durch den Einsatz von Nanomaterialien. Unter der Leitung des namhaften spanischen Bau- und Infrastrukturkonzerns Acciona Construccion SA soll ein nachhaltiger, klimaschonender und kostengünstiger Prozess für den Ersatz von Eisenarmierungen durch stabile, aber wesentlich leichtere Glasfaserstäbe entwickelt werden. Bisherige Versuche, Glasfaserarmierungen für tragende Konstruktionsteile beispielsweise für Brücken durch Strangpressen herzustellen, scheiterten an den hohen Kosten der aufwändigen Fertigung. Faserbündel werden mit Harzen getränkt, in Form gebracht und in großen Ofenanlagen langsam ausgehärtet. Insbesondere dieser Schritt der gesteuerten, langsamen und vollständigen Aushärtung ist bei großen Armierungsbauteilen langwierig, fehleranfällig und teuer.

Mit induktiv heizbaren Nanopartikeln des Fraunhofer ISC in der Harzmatrix soll der Härtungsschritt beim Strangpressen nun vereinfacht werden. Vorteil des neuen Verfahrens ist die schnelle induktive Erwärmung. Damit kann der ganze Querschnitt gleichmäßig, schnell und zuverlässig ausgehärtet werden. Fehler und unvollständig gehärtete Stellen könnten vermieden werden.

Mit den neuen Leichtbau-Armierungen sollen Energie und Gewicht eingespart werden, ein Fortschritt für die Verminderung der CO₂-Emissionen im Bereich Bau und Konstruktion. Das bisher im Labormaßstab getestete induktive Härten wird im Rahmen des EU-Projekts OASIS zur Leichtbau-Pilotproduktionslinie aufgebaut und die Nanopartikelformulierung auf die spezifischen Anforderungen hin weiterentwickelt. Dafür wird die vom Bereich Partikeltechnologie am Fraunhofer ISC bereits im Rahmen des EU-Projekts CoPilot aufgebaute Pilotlinie zur Produktion von Nanopartikeln von derzeit 5 kg/h auf 10 kg/h erweitert, um die erforderlichen Mengen bereitstellen zu können.

Auf dem Weg zu umweltfreundlicheren Anbaumethoden arbeitet das Fraunhofer ISC in dem von EU und BMBF kofinanzierten Verbundprojekt NewHyPe gemeinsam mit Forschungs- und Industriepartnern aus Deutschland, Finnland und Norwegen an der Entwicklung von nachhaltigen Mulchfolien für die Landwirtschaft. Mulchfolien werden eingesetzt, um die Wachstumsperioden auszudehnen – wie z. B. im Spargelanbau, oder um unerwünschte Beikräuter und damit den Pestizideinsatz zu verringern, aber auch um die Verdunstung zu reduzieren und den Wasserhaushalt des Bodens günstig zu beeinflussen. Eingesetzt werden meist erdölbasierte Kunststofffolien, die letztlich zur Bildung von Mikroplastik im Boden beitragen. Mulchfolien aus Papier sind für die meisten Einsatzzwecke nicht haltbar genug und enthalten außerdem in der Regel ebenfalls erdölbasierte Binder, die den Boden belasten. Ein umweltfreundlicherer Ersatz für die großflächig eingesetzten Folien muss extrem kostengünstig sein und in Massen hergestellt werden können.

Das Fraunhofer ISC und seine Partner im Projekt NewHype setzen dabei auf die Weiterentwicklung bewährter Technologien und günstige nachwachsende Rohstoffe. Als Basis soll Papier aus funktionalisierter Nanocellulose und/oder Lignocellulose aus der Holzwirtschaft mit einem bioabbaubaren und mineralölfreien Binder auf anorganisch-organischer Basis hergestellt werden. Dieses Papier soll an sich bereits stabil genug als Mulchfolie werden. Für längere Kulturzeiten arbeitet das Projektteam auch an einer kostengünstigen bioabbaubaren Funktionsbeschichtung, die das Papier zusätzlich stabilisiert. Der Bereich Beschichtungsentwicklung am Fraunhofer ISC koordiniert das Verbundprojekt und bringt seine langjährige Expertise im Bereich der Funktionalisierung von Nanocellulose bzw. Lignocellulose in Kombination mit hybriden Bindern und der Ausrüstung von Papier gegen Feuchte und andere Einflüsse ein. Gemeinsam mit den Partnern soll so im Rahmen der Bioökonomie-Initiativen von EU und Bundesregierung ein kostengünstiger und nachhaltiger Ersatz für die bisher eingesetzten Mulchfolien auf der Basis nachwachsender Rohstoffe geschaffen werden.

Neben den multifunktionalen Beschichtungssystemen des Fraunhofer ISC wurden in dem Benchmark-Feldversuch auch Beschichtungen von führenden Mitbewerbern getestet. Parallel zu den Feldtests in Saudi-Arabien wurden am Fraunhofer CSP in Halle die beschichteten Scheiben in einer eigens entwickelten Staubprüfkammer charakterisiert. Zusammen mit dem Schwesterinstitut konnte in der Folge die VDI Norm 3956-1 »Prüfverfahren für das staubbedingte Verschmutzungsverfahren solarer Energiesysteme« generiert und veröffentlicht werden.
Die Auswertung aller Versuche sowohl im Feld als auch im Labor ergab, dass die vom Fraunhofer ISC ins Rennen geschickten Beschichtungssysteme nahezu an allen Standorten sehr gute Ergebnisse liefern. Auf Grundlage der Erkenntnisse aus dem Feldversuch wie auch aus den Tests in der neuen Staubprüfkammer können die am ISC hergestellten Multifunktionsschichten in den nächsten Jahren noch weiter optimiert und an verschiedene Klimaregionen, Verschmutzungstypen und neue Anwendungen angepasst werden. Voraussichtlich im Lauf des Jahres 2021 wird die Pilotanlage in Betrieb gehen. Sie wird zunächst für die Beschichtung der Frontverglasung kleinerer PV-Module für die Straßenbeleuchtung eingesetzt und soll im späteren Verlauf auch für größere Module verwendet werden.

Individualisiert gefertigt und trotzdem tauglich für die Massenproduktion? Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts »Go Beyond 4.0« soll dieser scheinbare Widerspruch beseitigt werden. Im Teilbereich Beleuchtungsoptiken arbeiten die beiden Fraunhofer-Institute für Silicatforschung ISC und für Optik und Feinmechanik IOF gemeinsam an einer materialbasierten und fertigungstechnischen Lösung für die »Losgröße 1«.

Ausgangspunkt ist die relativ leicht individualisierbare 3D-Drucktechnik. Nachteile des dreidimensionalen Druckens bisher waren jedoch die Störeffekte im Volumen und an den Oberflächen gedruckter Objekte, wie z. B. Lagenbildung oder Rauigkeiten. Auch die Materialeigenschaften üblicher 3D-druckbarer Kunststoffe reichen für optische Komponenten und Systeme in der Regel nicht aus. Für optische Systeme im Bereich Beleuchtung werden hohe Anforderungen gestellt. Die eingesetzten Materialien sollen so glasähnlich wie möglich sein, im Gebrauch nicht vergilben und eine hohe Transparenz in den relevanten Wellenlängenbereichen des durchstrahlenden Lichts haben. Die beim 3D-Druck üblichen Lagengrenzen im Volumen und nicht ganz glatte Oberflächen durch druckbedingte Strukturen auf der Mikrometerskala sind für den Einsatz bei optischen Systemen nicht akzeptabel.

Mit ORMOCER^®en – glasähnlichen anorganisch-organischen Hybridpolymeren – aus dem Fraunhofer ISC sowie einer verbesserten Drucktechnologie aus dem Fraunhofer IOF ist es jedoch gelungen, einen Qualitätssprung zu machen. Speziell eingestellte optische ORMOCER^®e haben die Entwickler des Fraunhofer ISC auch bereits im Bereich der optischen Aufbau- und Verbindungstechnik genutzt.

Zusätzlich können weitere benötigte Funktionen wie Blenden, Leiterbahnen oder Spiegel im Herstellungsprozess in die gedruckten optischen Komponenten integriert werden. Das vereinfacht die spätere Assemblierung und ermöglicht hochkomplexe optische Bauteile. So können in der Kombination von optischen ORMOCER^®en und 3D-Druck-Verfahren auf einfache Weise optische Systeme geschaffen werden. Damit werden die gedruckten Optiken auch für spezielle, bisher nicht so einfach realisierbare Beleuchtungsaufgaben interessant. Für größere Stückzahlen arbeiten die Fraunhofer-Forscher bereits an der Parallelisierung der Prozesse.

Eine neue Methodik, aus körpereigenen Zellen Implantate für Knorpelverletzungen am Kniegelenk herzustellen, wurde in der europaweiten Studie BIO-CHIP unter Beteiligung des Fraunhofer-Translationszentrums für Regenerative Therapien TLZ-RT klinisch eingesetzt und bewertet. Inzwischen konnten 95 Patientinnen und Patienten in den europäischen Partnerkliniken erfolgreich operiert werden, weitere 8 wurden aufgrund der Einschränkungen durch die COVID 19 Pandemie verschoben. Dennoch kann man bereits jetzt eine sehr positive Zwischenbilanz ziehen.

Für die benötigten Knorpelimplantate wurden den teilnehmenden Patienten Knorpelgewebe aus der Nase entnommen; hieraus die Knorpelzellen isoliert und zu Knorpelimplantaten in zwei unterschiedlichen Reifestadien (2,5 Tage bzw. 4 Wochen) gezüchtet. Erfahrene Chirurgen an den teilnehmenden Kliniken implantierten sie zur Behandlung von fokalen Knorpeldefekten im Kniegelenk – das sind eng begrenzte Schäden, die z. B. durch Sportverletzungen oder Unfall hervorgerufen werden können. Im nachfolgenden Monitoring gaben die Patienten durchwegs eine signifikante Verbesserung der Beweglichkeit und Schmerzsituation an. Dabei spielte es offenbar zum jetzigen Zeitpunkt keine Rolle, welches der beiden Produkte die Patienten implantiert bekommen hatten. Für die Handhabung während der Implantation bieten jedoch nach Einschätzung der teilnehmenden Ärzte die länger gereiften Implantate einen Vorteil durch ihre größere Stabilität.

Die auf drei Jahre angelegte Studie bestätigt jedenfalls bisher eindrucksvoll die Effektivität der Behandlung mit den vom Fraunhofer TLZ-RT nach einem neuen Verfahren hergestellten Knorpelimplantaten und weist eine deutliche Verbesserung bei den behandelten Patienten nach. Nun hoffen Patienten und Projektpartner auf ähnlich positive Ergebnisse bei den noch ausstehenden, wegen COVID 19 verschobenen Operationen. Auch eine Anschlussuntersuchung ist von den Partnern aus dem klinischen Bereich angedacht, um über einen längeren Monitoring-Zeitraum mit den bisherigen Studienteilnehmern eine Langzeitbewertung durchführen zu können. Eine der Fragen, die dadurch beantwortet werden könnte, wäre die Bewertung, ob die unterschiedliche Reifezeit der Zellimplantate sich langfristig auf den Behandlungserfolg auswirkt.

Das Fraunhofer-Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL hat in Zusammenarbeit mit der diondo GmbH einen Prüfrahmen für Computertomographie-Systeme entwickelt, mit dem Bauteile während einer zusätzlichen thermo-mechanischen oder thermo-chemischen Belastung volumetrisch untersucht werden können. Das System ist vollständig modular aufgebaut, kann in beliebige CT-Anlagen montiert werden und somit auch bereits existierende Systeme ergänzen.

Eine Besonderheit des Konzepts ist die modulare Erweiterung mit zahlreichen Belastungskomponenten. So kann beispielsweise ein Bauteil gleichzeitig oder auch separat zu einer mechanischen Belastung (Zug-/Biege-/Torsions- und Druckprüfung) durch Integration einer Klimakammer bei -40 °C bis +200 °C ausgelagert bzw. in einem Ofen bis 1450 °C erhitzt werden. Weitere Module erlauben Änderungen atmosphärischer oder (nass-)chemischer Umgebungen. Alle Module sind mit wenigen Handgriffen montierbar und ermöglichen schnelle Umbauten ohne großen Aufwand.

Die CT-Messungen erlauben volumetrische Abbildungen bis
2 µm Auflösung. Je nach Ausführung sind mechanische Belastungen bis 150 kN möglich.

Abbildung 1 zeigt einen in ein vorhandenes Computertomographie-System montierten Prüfrahmen für die mechanische Zugprüfung bis 50 kN.
Als Beispiel einer einfachen Zugprüfung sind in Abbildung 2 der gemessene Versagensverlauf einer glasfaserverstärkten Kunststoffprobe (GFK) abgebildet. Die Steigerung der Zugkraft bis 2 kN verursacht eine Dehnung im Material, was zu einer Verzerrung der Faserbündel in der Matrix führt. Ab 3 kN Zugkraft beginnt Matrixversagen, erste Risse sind erkennbar, die letztendlich bei 3,7 kN Zugkraft zum Versagen einzelner Glasfasern führen und einen Bruch des gesamten Bauteils einleiten.

Ein neuer Ansatz zur Behandlung von bösartigen Tumoren ist die Immuntherapie mit sogenannten Immun-Checkpoint-
Blockern (ICB). Immun-Checkpoints sind Rezeptoren auf der Membran von T-Zellen, den körpereigenen Abwehrzellen. Sie regulieren die Immunantwort der T-Zellen, wodurch beispielsweise Autoimmunreaktionen verhindert werden. Tumorzellen können diese Checkpoints täuschen und verhindern so eine Immunantwort des Körpers – eine Tumorerkrankung kann sich entwickeln. Gelingt es, die Checkpoints entsprechend zu blockieren, könnten theoretisch T-Zellen die Tumorzellen erkennen und beseitigen. Für die Entdeckung und Nutzbarmachung dieser biologischen Vorgänge für die Krebstherapie ging im Jahr 2018 der Nobelpreis für Medizin an den US-amerikanischen Immunologen James Allison und den japanischen Immunologen Tasuku Honjo.

In der Praxis fehlen bisher jedoch geeignete Testsysteme, um die Wirksamkeit von ICB-basierten Therapien zu bewerten. Am Beispiel des malignen Melanoms – eine der gefährlichsten Tumorarten, die in Deutschland zu etwa 3000 Todesfällen jedes Jahr führt – wird im Forschungsprojekt ImmuTherM ein neues Testsystem aufgebaut, mit dem eine zuverlässige Validierung möglich werden soll. Dafür wird ein bereits vom Translationszentrum Regenerative Therapien in Zusammenarbeit mit dem Universitätsklinikum Würzburg entwickeltes Modellsystem des malignen Melanoms um weitere Tumorzelllinien sowie um humane T-Zellen erweitert.
Ziel des gemeinsamen Forschungsprojekts sind individuelle Testsysteme, bei denen Tumorzellen und T-Zellen von demselben Patienten stammen und die zuverlässig Auskunft über die individuelle Wirksamkeit einer ICB-basierten Therapie geben können. Darüber hinaus könnte so auch die Zahl der benötigten Tierversuche in der frühen präklinischen Phase einer Wirkstoffentwicklung reduziert werden.

Gemeinsam mit der Fraunhofer Academy – einem beruflichen Weiterbildungsangebot der Fraunhofer-Gesellschaft für Fach- und Führungskräfte aus Industrie, Forschungseinrichtungen und Universitäten – hat das Fraunhofer-Translationszentrum für Regenerative Therapien TLZ-RT in den letzten beiden Jahren erstmals ein Weiterbildungsangebot der Fraunhofer-Gesellschaft im Bereich Life Science/Gesundheit aufgebaut.

Das im November 2019 bereits zum zweiten Mal durchgeführte »Praxisseminar Tissue Engineering« hat Teilnehmern aus der Life Science-Industrie und der Academia an drei Kurstagen einen umfassenden Überblick über die biologischen und materialwissenschaftlichen Grundlagen des Tissue Engineering vermittelt und Einblicke in praxisnahe Anwendungen, von personalisierten Testsystemen bis zur Entwicklung und Zulassung von zellbasierten Therapien ermöglicht. Durch Methoden des Tissue Engineering können beispielsweise komplexe Implantate aus körpereigenen Zellen und biokompatiblen Trägermaterialien hergestellt werden, die die Abstoßungsreaktion des Körpers minimieren und Defekte langfristig physiologisch wiederaufbauen (regenerieren). Anders als bei traditionellen Implantaten werden die Selbstheilungskräfte des Körpers bei der Entwicklung der neuen Therapeutika mit einbezogen, um so die zellulären Mechanismen zu nutzen und zerstörte Organfunktionen teilweise oder komplett wiederherzustellen.

Mit Unterstützung des Internationalen Zentrums für Kulturgüterschutz und Konservierungsforschung IZKK fand der theoretische Teil des Lehrgangs in der besonderen, fokussierten Atmosphäre des Klosters Bronnbach im Taubertal statt. Für den praktischen Teil wurden die Teilnehmer in die Labore des Translationszentrums und des Lehrstuhls Tissue Engineering & Regenerative Medizin (TERM) des Universitätsklinikums nach Würzburg eingeladen. Der inspirierende Gegensatz zwischen klösterlicher Abgeschiedenheit in der ehemaligen Zisterzienserabtei Bronnbach – heute als Baudenkmal von besonderer nationaler Bedeutung eingestuft – und hochmodern ausgestatteten Biolaboren machte neben den wissenschaftlichen Inhalten den besonderen Reiz der Veranstaltung für die Teilnehmer aus. Ab Herbst 2020 soll das Seminar auch in englischer Sprache angeboten werden, um der Nachfrage eines internationalen Publikums nachzukommen.