Forschungsschwerpunkt Angewandte Photonik

Im Rahmen des vom Bayerisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst mit 600.000 Euro geförderten Forschungsschwerpunkts „Angewandte Photonik“ arbeiten die Profs. Heinz P. Huber, Thomas Hellerer, Johannes Roths und Hauke Clausen-Schaumann an folgenden drei Themen:

1. Laserinduzierter Zelltransfer und 2-Photonen-Stereolithographie von biobasierten Materialien auf der Mikro- und Nanoskala zur Herstellung und Charakterisierung von Einzelzellnischen.

Bei dieser neuen Methode wird ein fs-Laserpuls (1030 nm, 600 fs, ~μJ) ca. 50 μm unterhalb einer Zelle fokussiert, welche sich nahe der Oberfläche in einem Hydrogel-Reservoir befindet. Nichtlineare Absorption führt zu einem optischen Durchbruch, lokaler Plasmaionisierung, Erzeugung einer Druckwelle und Expansion einer Kavitationsblase, die an der Oberfläche einen Jet ausformt, an dessen Spitze eine Zelle aus dem Hydrogel auf ein Akzeptorsubstrat transferiert wird.

Als Ziel soll der fs-Bioprinting-Prozess in ein inverses optisches Mikroskop für einfaches und nutzerfreundliches Handling, sowie eine spätere Automatisierung und Multiplexing integriert werden. Darüber hinaus soll ein 2-Photonen-Polymerisationsverfahren (2PP) für den additiven 3D-Druck von biobasierten Werkstoffen integriert werden.

Anwendungspotential: Neueste hochparallele Organ-on-a-chip Ansätze, die alle menschlichen Gewebefunktionen auf einem einzigen Chip vereinen, erlauben darüber hinaus ein nie dagewesenes Maß an Multiplexing in der Wirkstoffforschung und können so die Arzneimittelentwicklung extrem beschleunigen. Auch die Anzahl von Tierversuchen ließe sich dadurch voraussichtlich signifikant reduzieren.

2. Multiphotonenmikroskopie und Optische Kohärenztomographie mit erhöhter Eindringtiefe durch Anwendung adaptiver Optik zur Korrektur von Wellenfrontdeformationen in Gewebe.

Bei der 2-Photonen-Stereolithographie von biobasierten Materialien auf der Mikro- und Nanoskala entstehen dreidimensionale Matrizen mit eingebetteten, lebenden Zellen (aufbauend auf oben beschriebenen Projekt). Mit einer adaptiven Optik basierend auf einem räumlichen Lichtmodulator (SLM) sollen die Wellenfrontdeformationen, welche in der Probe verursacht werden, kompensiert werden und die Fokussierbarkeit des fs-Lasers auch in größeren Eindringtiefen bis 300 μm gewährleistet werden. Zusätzlich soll ein OCT-Aufbau mit einer Ultrakurzpuls-Superkontinuumsquelle entwickelt und in das Mikroskop integriert werden, der eine Eindringtiefe bis zu 2 mm erlaubt.

Anwendungspotential: Künstliche Knorpelgewebe werden heutzutage schon bei Knieoperation eingesetzt, die aus den Zellen des Patienten selbst gezüchtet werden. In Zukunft sollen auf diese Weise sogar transplantationsfähige Organe entstehen. Eine in diesem Projekt entwickelte Qualitätskontrolle der künstlichen Gewebe kann den langfristigen Erfolg der operativen Eingriffe erhöhen und das Risiko für Traumata senken, sodass der Eingriff minimalinvasiv erfolgen kann.

3. Bearbeitung von Glasfasern mittels Ultrakurzpulslaser zur Funktionalisierung neuartiger faseroptischer Sensoren auf Basis von Faser-Bragg-Gittern.

Faser-Bragg-Gitter (FBG) sind periodische Brechungsindexvariationen im Kern einer Lichtleitfaser, die für eine spezifische Wellenlänge einen effektiven Reflektor darstellen. Äußere Einflüsse, wie z. B. Temperatur oder Längsdehnungen, beeinflussen die reflektierte Wellenlänge und werden somit messtechnisch erfasst. In den letzten Jahren gewinnen Faser-Bragg-Gitter (FBG), die mittels fs-Laser in Glasfaser-Wellenleiter eingeschrieben werden, immer mehr an Bedeutung. In dem Forschungsschwerpunkt sollen verbesserte, anwendungsspezifische Sensorelemente hergestellt werden.

Anwendungspotential: Erfassung von Temperaturverteilungen mit faseroptischen Multipunkt-Temperatursensoren für die chemische Prozessindustrie und im Hochtemeraturbereich für die Instrumentierung von Triebwerken und Gasturbinen im Teststand. Erfassung von Dehnungs- und Belastungszuständen von Metallgussbauteilen mit eingebetteten faseroptischen Sensoren und hohen Gusstemperaturen (z. B. Cu-Guss). Indentierung von Knorpelgewebe zur hochempfindlichen Diagnose von Arthrose mit gleichzeitiger Erfassung von Indentierungskraft und Temperatur.