Schlagwort-Archive: Institut für Mikrostrukturtechnik

Tablets für sehbehinderte Menschen

Bastian Rapp erhält einen mit 2 Millionen Euro dotierten ERC Consolidator Grant für die Entwicklung taktiler Displays

Der Ingenieur Prof. Dr. Bastian E. Rapp vom Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg erhält für seine Forschung zu taktilen Displays, deren Abbildung sehbehinderte Menschen ertasten können, einen mit 2 Millionen Euro dotierten Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC). Rapp und seine Arbeitsgruppe entwickeln neue Konzepte, wie solche Displays aufgebaut werden können. Ziel seines Projekts ist, eine Art Tablet für sehbehinderte Menschen zu entwickeln. Der ERC Grant, den Rapp während seiner Zeit am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) eingeworben hat, gehört zu den renommiertesten Preisen für europäische Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.

Bastian E. Rapp. Foto: Markus Breig/KIT

Das Bild gewöhnlicher Displays entsteht mithilfe kleiner Lichtpunkte, den Pixeln. Bei taktilen Displays treten an ihrer Stelle tastbare Punkte aus der Oberfläche hervor, die so genannten Taxel. Bei ihnen handelt es sich um kleine Stifte, die mechanisch bewegt werden und deren oberes Ende als Punkt erscheint.

Jedoch ist diese Technologie viel weniger weit entwickelt und teurer als die Displays für sehende Menschen. Das liegt vor allem an der vergleichsweise aufwendigen Herstellung der entsprechenden Systeme. Da die letzten Jahrzehnte kaum Neuerungen bezüglich ihrer Funktionsweise gebracht haben, hat die Darstellung der am Markt verfügbaren Systeme eine schlechte Qualität: Die Auflösung des besten Systems, das knapp 50.000 Euro kostet, entspricht einem Bruchteil der Pixelzahl, die ein Nintendo Gameboy Anfang der 1990er Jahre hatte.

Mithilfe des ERC Grants wird Rapp Konzepte für Taxel entwickeln, die weitaus günstiger sind und die Herstellung portabler Systeme ermöglichen. Dabei arbeitet er mit dem Studienzentrum für Sehgeschädigte des KIT zusammen, um die Systeme in engem Austausch mit potenziellen Anwenderinnen und Anwendern zu entwickeln.

Rapp studierte Maschinenbau an der Universität Karlsruhe und wurde dort im Jahr 2008 über die Entwicklung eines Biosensorsystems für die biomedizinische Diagnostik promoviert. 2017 schloss er seine Habilitation mit der Veröffentlichung eines Lehrbuchs über die Fluidmechanik in mikrofluidischen Systemen ab. Er war zuletzt Gruppenleiter am Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT. Im November 2018 folgte er dem Ruf auf die Professur für Prozesstechnologie an das Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg. Er ist darüber hinaus Mitgründer und Geschäftsführer der Glassomer GmbH, die hochauflösende 3-D-Drucktechnologien für Glas entwickelt. Für seine Arbeiten wurde er unter anderem mit dem Edison Award der General Electric (GE) Foundation, dem GMM-Preis der Gesellschaft für Mikroelektronik, Mikrosystem- und Feinwerktechnik sowie dem Förderpreis des Arbeitgeberverbands Südwestmetall ausgezeichnet.

Hightech-Zahnersatz: Mit Nanotechnik gegen Bakterien

Entzündungen von Zahnimplantaten bereiten große Probleme – Mikro- und Nanotechnik bremst Bakterien aus – Forscher des KIT optimieren Zahnersatz mit nanostrukturierten Oberflächen

Aufnahme mit dem Rasterelektronenmikroskop: E. coli-Bakterien versuchen an einer nanostrukturierten Modelloberfläche anzudocken. (Abb.: Patrick Doll, KIT)

Aufnahme mit dem Rasterelektronenmikroskop: E. coli-Bakterien versuchen an einer nanostrukturierten Modelloberfläche anzudocken. (Abb.: Patrick Doll, KIT)
KIT/IMT Nanopillar E.coli

Gefäßerweiternde Stents, „Labs-on-Chip“ für Analysen auf kleinster Fläche, 3-D-Zellkultursysteme für die Geweberekonstruktion: Mikrotechnik wird für die Medizintechnik immer wichtiger. Auch in der Implantologie öffnet sie neue Potenziale. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben gemeinsam mit Experten für Zahnimplantate eine nanostrukturierte Oberfläche entwickelt, welche die Wundheilung nach der Implantation künftig beschleunigen und besser gegen den Einfall von Bakterien schützen kann.

„Mikrotechnik kann Zahnimplantate nachhaltig verbessern“, sagen Professor Andreas Guber und Dr. Ralf Ahrens, die am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT die Forschungsgruppe „Biomedizinische Mikrotechnik“ (BioMEMS) leiten. Moderne Zahnimplantate bestehen aus einer Titan-Schraube, die als Wurzelersatz in den Kieferknochen eingebracht wird, einem damit verbundenen „Stützpfeiler“ – auch „Abutment“ genannt – aus Titan für den Zahnersatz und der sichtbaren Zahnkrone. Titan ist das Material der Wahl. Es ist biokompatibel und sorgt für ein gutes Einwachsen der Schraube in den Knochen, die so genannte Osseointegration. Optimierungen von Zahnimplantaten fokussierten sich bislang vor allem auf die Titanoberfläche der Schraube, um diesen Prozess weiter zu verbessern. Problematisch ist aber, dass Zahnimplantate sich auch nach erfolgreicher Osseointegration entzünden können.

Haupteinfallstor für Bakterien ist das Abutment. An diesem Implantteil wächst das Zahnfleisch häufig nicht richtig an. Dadurch können sich Taschen bilden, über die Bakterien bis zum Kieferknochen gelangen und dort Entzündungen hervorrufen können. In diesem Fall bleibt in der Regel nur die Entfernung des gesamten Implantats. Diese potentielle Problemstelle will das BioMEMS-Team schließen. Die Forschungen basieren auf einer beim Implantat-Spezialisten „Abutments4life“ entwickelten Optimierung: Kaum haarbreite Rillen umlaufen das Abutment und steuern die für die Wundheilung zuständigen Zellen gezielt in die richtige Richtung. So kann die Wunde schneller verheilen. „An diesem System setzen wir an“, berichtet Patrick Doll, Wissenschaftler am IMT. Bei der Weiterentwicklung stehen zwei Dinge im Fokus. Zum einen eine präzisere Strukturierung der Rillen für eine noch genauere Steuerung der Zellen und zum anderen die Suche nach der optimalen Nanooberfläche, die den Bakterien möglichst wenige Chancen zum Andocken bietet.

Mit dem Elektronenstrahlschreiber hat Doll säulenförmige Strukturen mit einem Durchmesser von 100 Nanometern und einer Höhe von 500 Nanometern hergestellt, hieran Adhäsionsexperimente mit typischen Testkeimen wie S. Aureus, E coli oder P. aeruginosa durchgeführt und die Strukturen dabei immer wieder verändert. Dabei zeigte sich: Abhängig von Abstand und Anordnung der Säulen reduziert sich die Anhaftung der Bakterien und die Bildung eines Biofilmes verzögert sich. Den nachwachsenden Zellen bleibt dadurch mehr Zeit, um die Wunde zu verschließen – ein Effekt, den ansonsten nur Antibiotika erzielen.

„Wir glauben, dass unser struktureller Ansatz zukunftsweisend ist“, betont Doll. Die Herstellung der Nano-Strukturen gelingt auf Silizium-Basis fehlerfrei und reproduzierbar. Verfahren für die Übertragung auf Titan haben die Wissenschaftler im Zuge des Projektes ebenfalls entwickelt. Nach der ersten Forschungsphase im Labor soll in Kürze die präklinische Erprobung folgen. Anwendungspotenziale über die Zahnmedizin hinaus sehen die Experten unter anderem bei Knochenplatten, Hörimplantaten oder künstlichen Gelenken.

Das Projekt wurde gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi). Partner des IMT war der Implantat-Hersteller „Abutments4Life“. Die biologischen Untersuchungen wurden an der Klinik für Zahnerhaltungskunde und Parodontologie des Universitätsklinikums Freiburg durchgeführt.