Vorlaufforschung

Die Fraunhofer-Gesellschaft fördert mit ihren internen Programmen die vorwettbewerbliche Vorlaufforschung.
Hier ein paar kurze Notizen zu ausgewählten aktuell laufenden Projekten.

Die Herstellung von funktionellen und formgetreuen Gegenständen mittels unterschiedlicher 3D-Druck-Verfahren hat sich enorm weiterentwickelt. Allerdings entspricht das Druckergebnis bei kunststoffbasieren Objekten häufig weder visuell, noch haptisch den Erwartungen der Produktdesigner / Konsumenten. Sie wünschen sich bei einer Vielzahl von Anwendungen einen Produktrealismus. REVISE will durch optimierte 3D-druckbare Materialien und Materialkombinationen Druckergebnisse mit bisher nicht realisierbaren visuellen Eigenschaften ermöglichen.

Optische Effekte in polymerbasierten Materialien lassen sich durch eine Kombination unterschiedlicher Materialien erzeugen, bspw. durch die geschickte Anordnung von Schichten mit hohem Brechzahlkontrast, angepasster Transparenz, Transluzenz oder Streuverhalten. REVISE wird hybridpolymere Komposite entwickeln, die die optischen und prozesstechnischen Anforderungen erfüllen, das Materialportfolio für den 3D-Druck erweitern und kompatibel zu kommerziellen Standardtinten sind.

Am Projektende wird für das Multijetverfahren ein erweitertes Materialportfolio zur Verfügung stehen, mit dem die definierten optischen Charakteristika erzielt werden können. „Inverse Rendering“- Simulationen zur Realisierung dieser optischen Effekte werden validiert; Demonstratoren mittels 3D-Druck hergestellt.

Projektleiter: GErhard domann

Krebserkrankungen gehören zu den häufigsten Todesursachen weltweit. Die Krebsimmuntherapie mit chimären Antigenrezeptor (CAR)-T-Zellen gilt als bahnbrechende Innovation und ist bereits für die Behandlung von Blut- und Lymphdrüsenkrebs zugelassen. Bei soliden Tumoren ist die CAR-T-Technologie bisher allerdings wenig erfolgreich, da CAR-T-Zellen nicht in solide Tumore eindringen können und zudem in der Tumorumgebung inaktiviert werden.

Im SME-Projekt CAR-T PATCH wird ein Mikronadelpflaster entwickelt, das die Effizienz der CAR-T-Zelltherapie bei soliden, hautnahen Tumoren signifikant verstärkt. Über das Mikronadelpflaster auf Bioglasbasis werden Botenstoffe (Zytokine), die CAR-T- Zellen zum Tumor locken und dort deren krebstötende Funktion sicherstellen, minimalinvasiv über die Haut in den Tumorbereich eingebracht. Die Effizienz eines lokalen und präzise dosierten Zytokin-Milieus wird anhand etablierter 3D-in-vitro- und In-vivo-Hautkrebsmodellen validiert.

Am Ende des Projekts steht eine vielseitig einsetzbare Plattformtechnologie, die durch den Austausch der transportierten Botenstoffe zügig auf viele andere Immun- und Zelltherapien übertragen werden kann. Als therapiebegleitendes Produkt für die CAR-T- und andere Zelltherapien wird die Pharmaindustrie, insbesondere im Bereich Immunonkologie und ATMPs (Advanced Therapeutic Medicinal Product), als Zukunftsfeld der Medizin anvisiert.

Projektleiter: Ulrich blache

Im Projekt SensPflast soll auf Basis von flexiblen Foliensubstraten mit innovativer Sensorik eine Technologieplattform für diagnostische und therapeutische Wundpflaster entwickelt werden. KmU, die im Bereich der Wundversorgung tätig sind, erhalten Zugang zu einem Technologieportfolio, das die Realisierung von maßgeschneiderten Multisensorpflastern erlaubt. Im Vorhaben wird als Technologiedemonstrator ein Sensorpflaster aufgebaut, welches diagnostische und therapieunterstützende Aspekte des diabetischen Fußsyndroms adressiert. Es ermöglicht die kontinuierliche, digitale und vernetzte Therapieüberwachung pathologischer Druck-, Temperatur- und Wundsekretzustände. Auf Basis dieser Informationen lassen sich Behandlungsbedarfe frühzeitig erkennen und die notwendigen medizinischen Maßnahmen optimieren, so dass schwerwiegende Folgeerkrankungen und infolgedessen entsprechende Behandlungsfolgekosten reduziert werden.

Durch die in modernen Industriegesellschaften steigende Verbreitung von Diabetes ist ein hohes Anwendungs- und Verwertungspotenzial gegeben. Vergleichbare, hochintegrierte Lösungen von weichen Sensormodulen zur parallelen Erfassung unterschiedlicher medizinisch relevanter Parameter, die in Verbände, Strümpfe, Bandagen oder Sitzkissen individuell für jeden Patienten integriert werden können, existieren nicht. Die Fraunhofer-Verbundpartner ISC, IIS und EMFT werden im Vorhaben ihre Kompetenzen in den Bereichen Sensorik, Packaging sowie Elektronik und Kommunikation für die medizinische Wundversorgung vertiefen und kombinieren.

Projektleiter: Dr. bernhard brunner

Der Goldstandard bei schweren Sehnenverletzungen ist die Implantation eines Autografts oder Allografts. Sind weder Autografts, noch Allografts verfügbar, bildet die Implantation synthetischer Sehnen die einzige Alternative. Derzeitige synthetische Implantate zeigen in ihren elastomechanischen Eigenschaften allerdings unphysiologisch hohe Kennwerte. Sie mangeln außerdem in der Fähigkeit der Selbstheilung, führen auf Dauer zu entzündlichen Abriebpartikeln und limitieren dadurch die Anwendungsbereitschaft von Ärzten und Patienten.

Unter Ausnutzung biomimetischer bzw. hierarchischer Strukturprinzipien wird in diesem Projekt eine Cellulose-Prozessierungstechnologie entwickelt, welche die elastomechanischen Eigenschaften und so den Einsatz als Sehnenimplantat ermöglicht. Neben der bereits vorhandenen exzellenten immunologischen Verträglichkeit erfolgt eine in vivo Gewebeintegration durch den kollagenfaserähnlichen Durchmesser der elektrogesponnenen Fasern und die Funktionalisierung der Cellulose-Moleküle mit zelladhäsionsfördernden Gruppen.

Der angestrebte biomimetische Aufbau der Cellulose-Garne deckt die strukturierte Größenhierarchie (Subnano- über Nano-/ Submikro- bis hin zum Mikrometerbereich) über mindestens 3 Stufen ab. Neben der bekannten biokompatiblen reinen Cellulose kommen Derivate wie Cellulose-Acetat bzw. Cellulose-Sulfat zum Einsatz, um deren Performance in Bezug auf Zellinteraktion einstellen zu können. Abschließend erfolgt eine Einschätzung des Gewebeintegrationspotentials im Bioreaktor unter Einwirkung physiologischer Dehnungsraten.

 projektleiter: Dr. Tobias weigel

Antimikrobielle Resistenz (AMR) stellt weltweit eine der größten und stetig zunehmenden Bedrohungen für die menschliche Gesundheit dar. Alternativen zu herkömmlichen Medikamenten, wie Antibiotika, sind daher dringend notwendig. Insbesondere bei der Wundversorgung fehlen zufriedenstellende Lösungen, sodass die Heilung zahlreicher kutaner und innerer Wunden oft durch Infektionen verzögert wird. Das Gesundheitssystem verzeichnet aufgrund steigender Fallzahlen in Krankenhäusern und unzureichender Behandlungsmöglichkeiten jährliche Kosten im Milliardenbereich. Aktuell bilden etablierte Modifikationen von Wundauflagen, die durch den Zusatz von Antibiotika oder Silberionen angepasst wurden, verfügbare mögliche Anwendungsformen. Die Problematiken dieser Wundauflagen liegen zum einen in ihrer stets grenzwertig zu betrachtenden Toxizität und zum anderen in ihrer kritisch zu bewertenden Wirksamkeit: aufgrund der Resistenzgefahr verbietet sich der Einsatz von Antibiotika immer mehr.

Antimikrobielle Peptide (AMP) zählen zu einer neuen Klasse von biologischen Therapeutika, die das Potenzial haben bisher eingesetzte antimikrobielle Substanzen zu substituieren. PreInfect beschreibt eine vielversprechende Perspektive für die moderne Wundversorgung. Durch die Modifikation einer etablierten Wundauflage mit antimikrobiellen Peptiden soll ein Demonstrator für ein natürliches, antimikrobielles und hoch innovatives Medizinprodukt entwickelt werden. Mit diesem Demonstrator wird der KMU dominierte Zielmarkt der Medizinprodukte adressiert. Darüber hinaus sollen bereits etablierte humane 3D-Gewebemodelle für Infektionen mit pathogenen Bakterien und Pilzen weiterentwickelt werden, um in Zukunft nicht nur den Markt der antiviralen Wirkstofftestungen, sondern auch den Markt der antibakteriellen und antifungalen Wirkstofftestung ansprechen zu können

Projektleiter: Dr. florian groeber-becker

Projektleiterin: Christina popp

Die Photonik ist eines der herausforderndsten Entwicklungsgebiete mit einem weiten Anwendungsspektrum zur Realisierung neuer Rechnersysteme, modernster höchstauflösender Messtechnik, mobiler Sensorik und Materialwissenschaften. Durch die Nutzung modifizierter elektromagnetischer Wellen, einzelner Photonen und die Kombination unterschiedlicher Photonenenergien werden Qubits in Quantencomputern gesteuert und ausgelesen, chirale molekulare Komplexe analysiert und neuartige Rechnerarchitekturen mit ultraschneller Kommunikation zwischen den einzelnen Bauelementen realisiert. Voraussetzung für diese Entwicklungen und Applikationen ist jedoch die Verfügbarkeit geeigneter strahlführender und strahlformender Elemente bis hin zu optischen Speichern und hochselektiven spektralen Filtern. Während für den Fortschritt dieser Elemente konstant neuartige dreidimensionale photonische Strukturen erdacht und simulativ erforscht werden, basiert deren Fertigung weiterhin auf den etablierten Verfahren, die starken Einschränkungen hinsichtlich ihrer Geometriefreiheit unterliegen und deshalb für die Fertigung dreidimensionaler Strukturen nicht oder nur sehr bedingt geeignet sind.

Die Ziele im Projekt »LAR3S« sind daher die Erforschung und Realisierung neuartiger photonischer Strukturen zur Wellenleitung, Feldmodifikation und optischer Speicher und Filter sowie der dafür notwendigen Fertigungsverfahren, die auf selektiven Laserstrukturierungs- und Lasermodifikationsprozessen basieren. Erst die Verwendung dieser Fertigungstechnologien ermöglicht die Herstellung dreidimensionaler optischer Strukturen, wie beispielsweise dämpfungsarmer Photonic Crystal Fibers (PCF) oder Mikroresonatoren mit dynamischer Dispersionskontrolle.

TeilProjektleiter: Dominik esser

Projektleiter: sebastian johann simeth

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines tragfähigen Konzepts für unbemannte, feuerfeste Flugdrohnen für den Naheinsatz in Brandherden und über Brandgebieten. Mögliche Anwendungen der neuartigen Drohne sind Wohnungsbrände und Waldbrände sowie Brände in Industrieanlagen. Sie dienen zur Einsatzkoordination, zur Aufklärung sowie – in der Weiterentwicklung – zur Notfallversorgung. Bisher verfügbare Drohnen sind durch kurze Flugdauer und Umgebungstemperaturen von bis zu max. 50 °C limitiert.

Durch den Einsatz eines schadenstoleranten Hochtemperaturwerkstoffs bei allen thermomechanisch hoch belasteten Komponenten der Drohne und durch einen Wärmeschutzbehälter, in dem alle temperaturempfindlichen elektronischen Komponenten untergebracht werden, soll das Dilemma existierender Drohnen gelöst werden. Dazu muss ein neuartiges Gesamtkonzept für die Drohnenarchitektur entwickelt werden: zum Antrieb werden Mantelpropeller aus CMC (O-CMC) eingesetzt; für den Wärmeschutzbehälter und die Sensorik werden Konzepte übertragen, die für den Anwendungsbereich Thermoprozesstechnik / Industrieöfen bereits entwickelt wurden.

Der Einsatz von O-CMC anstelle herkömmlicher Materialien, speziell der im Antriebsstrang aerodynamisch belasteten Rotoren sowie der exponierten Tragwerkkomponenten, die Stößen- und Thermoschock ausgesetzt sind, erlaubt den längeren Aufenthalt des Flugkörpers in sonst unzugänglichen Bereichen bei Temperaturen über 400 °C. Die Optiken und Sensoren sind ebenfalls aus temperaturbeständigen Materialien aufgebaut. Die Signalverarbeitung erfolgt bei vergleichsweise tiefen Temperaturen im Inneren des Wärmeschutzbehälters, der durch ein Phase Change Material zusätzlich gekühlt wird.

Projektleiter: jan-marcel hausherr

Feinchemikalien stellen einen wesentlichen Grundbaustein in der chemischen Industrie dar. Die chemischen Synthesen von Feinchemikalien durchlaufen mehrere katalysatorgestützte Stufen, die lange Umrüstzeiten und aufwendige Prozesskontrollen erfordern. Um in diesem Bereich Wettbewerbsfähigkeit zu ermöglichen, sucht die Industrie nach neuen Produktions-/Prozesstechnologien und Materialien. Strategische Entwicklungen müssen insbesondere Aufskalierbarkeit und Katalysatorimmobilisierung berücksichtigen. BioLIGHT entwickelt daher eine neuartige, modular aufgebaute Technologie- und Prozessplattform, die eine zielgerichtete Synthese von Feinchemikalien durch kontinuierliche photochemisch-assistierte Biokatalyse möglich macht. Die BioLIGHT Technologie beruht auf drei zentralen Elementen: (1) neuartige Hybridkatalysatoren, (2) neue Prozesse mittels Mikroverfahrenstechnik sowie (3) einem innovativen Anlagenkonzept. Die modulare Bauweise ist ein entscheidender innovativer Schritt in BioLIGHT, der die einfache Anpassung an die Synthesekaskaden sowie die Skalierung der Prozesse ermöglicht.

Die Machbarkeit und Funktionalität der BioLIGHT Technologie- und Prozessplattform wird anhand von zwei Kaskadenreaktionen zur Synthese von industriell relevanten Feinchemikalien demonstriert. Im Erfolgsfall kann die neue BioLIGHT Technologie- und Prozessplattform in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern eingesetzt werden und stärkt die Strategischen Forschungsfelder (FSF) Bioökonomie sowie Ressourceneffizienz und Klimatechnologie und besonders das Angebot für den Leitmarkt Chemische Industrie.

Projektleiterin: Dr. michaela müller

Heute übliche, starre Greifwerkzeuge von Robotern sind nicht in der Lage, weiche und empfindliche Objekte mit uneinheitlicher Geometrie wie Obst, Gemüse und andere Lebensmittel ohne Beschädigung schnell zu greifen. Im interdisziplinären Projekt SoMaRo soll eine einzigartige Roboter-Greiftechnik auf Basis weicher, adaptiv regelbarer Soft-Kinematiken mit integrierten Soft-Aktuatoren, -Sensoren und -Elektroniken auf der Grundlage neuartiger Smart Materials entwickelt werden, die sich mittels Software-Regelung mit elektrischen Feldern gezielt verformen lassen. Durch die erstmalige Integration von Soft-Aktuatorik-, -Sensorik- und -Elektronik-Lagen in weichen, nachgiebigen Soft-Kinematiken entstehen in Verbindung mit adaptiven Echtzeit-Steuerungs & Regelungs-Algorithmen intuitiv-sensible Greifer. Diese neuartigen Greifwerkzeuge für Roboter ermöglichen das definierte Umschließen und sichere Halten des zu greifenden Objektes mit einer der menschlichen Hand vergleichbaren Sensibilität und intuitiven Griffsicherheit.

Mit der Verbindung von Soft-Kinematiken, integrierter Soft-Aktuatorik, Soft-Sensorik und Soft-Elektronik wird eine Rückkopplung zur adaptiven Greifkraftregelung erreicht. Ein solches Greifersystem lässt sich nahtlos in bestehende Robotersysteme integrieren. Zur Verifikation werden als Demonstratoren zwei modulare Roboter-Greifwerkzeuge mit verschiedenen Aktuator-Prinzipien realisiert, mit denen erstmals die schnelle automatisierte und prozesssichere Handhabung ohne Beschädigungen möglich wird. Zum Nachweis der Transferierbarkeit in andere Bereiche folgt die Realisierung eines adaptiven Robotergreifers, der für die Montage flexibler Bauteile geeignet ist.

Projektleiter: Henning schmidt