Forschungshighlights des Fraunhofer FEP

Impfstoffe zuverlässig inaktivieren mit Elektronenstrahlen

Zur Herstellung von sogenannten Tot-Impfstoffen (wie z. B. gegen Grippe-, Polio- oder Hepatitis A-Viren) werden bereits seit den 1950er Jahren toxische Chemikalien wie Formaldehyd verwendet, um die Erreger zu inaktivieren. Durch die zum Teil mehrere Wochen andauernde chemische Behandlung wird ein großer Anteil jener Oberflächenstrukturen der Erreger zerstört, die das Immunsystem nach der Impfung erkennen und entsprechend attackieren soll. Die so hergestellten Impfstoffe müssen entweder in sehr hohen Konzentrationen verabreicht oder in regelmäßigen Abständen aufgefrischt werden, um einen ausreichenden Schutz zu bieten. Dies erschwert ihren Einsatz insbesondere in ärmeren und strukturschwachen Ländern.

Das Fraunhofer FEP forscht bereits seit einigen Jahren mit weiteren Partnern erfolgreich am Einsatz der Elektronen­strahltechnologie in der Medizintechnik. Die dabei verwendete niederenergetische Inaktivierung der Krankheitserreger mit Elektronenstrahlen (LEEI - Low Energy Electron Irradiation) kann auch für eine besonders schonende Herstellung von Impfstoffen genutzt werden. Die meisten Impfungen beruhen auf Totimpfstoffen, bei denen die Viren inaktiviert, also an der weiteren Vermehrung gehindert werden. Die Erreger können im Patienten nun keine Krankheiten mehr verursachen. Dennoch erkennt das Immunsystem sie und bildet die entsprechenden Antikörper und damit einen wirksamen Schutz. Üblicher­weise müssen die Erreger mehrere Tage in Formaldehyd lagern, bis sie inaktiviert sind. Dieser Zeitaufwand ist kostspielig und für die Industrie ein Nachteil. Zudem greift es auch die Proteine der Viren an, gegen die das Immunsystem Antikörper bildet. Es verändert die Viren also und damit sinkt die eigentliche Wirksam­keit des Impfstoffs. Aktuell wird an einer alternati­ven Technologie unter Verwendung niederenergetischer Elektronenstrahlen gearbeitet. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Technologie grundsätzlich auf verschiedenste Virusarten wie z. B. Influenza oder PRRSV - „Porcine Reproductive and Respiratory Syn­drome Virus“ sowie andere Erregerarten (Bakterien, Parasiten) anwendbar ist. Durch die Bestrahlung wird die zur Vermehrung notwendige Erbsubstanz der Viren zerstört. Im Gegensatz zur chemischen Inaktivierung mit zum Beispiel giftigem Formaldehyd bleiben jedoch die für die Immunantwort wichtigen Oberflächenstrukturen erhalten. Der Körper kann dadurch deutlich spezifischere Antikörper gegen den Erreger bilden und ist somit besser geschützt. Im Ergebnis könnten geringere Dosen zur Impfung eingesetzt werden. Außerdem reichen dank dieser Technologie dann statt mehreren Tagen oder gar Wochen einige Millisekunden aus, um die Viren oder Bakterien zu inaktivieren. Weiterer Vorteil der Bestrahlung mit niederenergetischen Elektronen ist, dass sie auch in jedem Labor durchgeführt werden kann. Innovative Medizinprodukte können durch niederenergetische Elektronen ebenfalls effektiv sterilisiert werden. Vorstellbar sind beispielsweise künstliche Kniegelenke mit integrierter Elektronik zur Erfassung der Abnutzung oder Implantate wie Herzklappen mit neuartigen Materialkombinationen inklusive biologischen Geweben, die für ihren Einsatz sterilisiert werden müssen

Ultradünnes und rollbares Glas für flexible Elektronik und neue Dünnschichtbeschichtungsverfahren

Dünnglas ist dünner als ein Blatt Papier und so flexibel, dass es auf Rollen gewickelt werden kann. Es kann so in vielen smarten Produkten Dünnglas gleichzeitig als Substrat und als Verkapselung eingesetzt werden, wie z.B. in Smartphones, in gekrümmten Displays, in OLED-Lichtquellen, in der Photovoltaik oder in Verglasungen.

Als kompetenter Partner in der Technologieentwicklung ist Fraunhofer FEP dafür bekannt, die Grenzen von neuen Materialien zu testen und diese gleichzeitig für Marktanforderungen zu optimieren. Ultradünnes bzw. flexibles Glas ist ein relativ neues Material mit einer niedrigen Substratrauheit und exzellenten Oberflächeneigenschaften, die sich deutlich von konventionellen Kunststoffoberflächen abheben. Dazu bietet es hervorragende Möglichkeiten für die Abscheidung von transparenten leitfähigen Schichten, die für eine Vielzahl von Anwendungen in der High-Tech Elektronik unabdingbar sind.

Mit den bisherigen Erfahrungen und Kompetenzen in der Entwicklung von Dünnschicht-Beschichtungsverfahren für ultra-dünnes Glas und dessen Integration in organische und hybride Elektronik ist das Fraunhofer FEP einer der führenden Forschungspartner. Schwerpunkte der Forschung sind Sheet-to-Sheet und Rolle-zu-Rolle Abscheidungsverfahren, um die Anwendung dieses Substrates in Hightech-Geräten zu ermöglichen. Außerdem werden Konzepte zur Anpassung der Vakuumprozesse und Handling-Konzepte für das Dünnglas entwickelt und die optimale Anpassung des Maschinendesigns für großflächige Beschichtungen erarbeitet. Die Glasvorbehandlung spielt allem voran eine große Rolle für spätere Beschichtungsschritte.

Wearable Visualization – OLED-Mikrodisplays

Datenbrillen und Wearables sind nicht nur Trend, sondern eröffnen ein breites Anwendungsspektrum in unterschiedlichen Bereichen. Sie überwachen als Fitnesstracker Vitalparameter, erinnern den Nutzer an notwendige Medikationen oder unterstützen im industriellen Einsatz Konstruktionsarbeiten durch ergänzend eingeblendete Informationen, ohne dass die Hände vom Arbeitsobjekt entfernt werden müssen.

Ein wichtiger Teil zur Darstellung dieser virtuellen Welten ist ihre Displaytechnologie. OLED-Mikrodisplays rücken durch ihre technologischen Vorteile hierfür immer mehr in den Fokus. Das Fraunhofer FEP arbeitet seit Jahren an verschiedenen Entwicklungen und der Fertigung von OLED-Mikrodisplays, die auf organischen Halbleitern basieren. Durch die zusätzliche Integration einer Bildsensorfunktion direkt im Mikrodisplay, lässt sich u.a. die Augenbewegung in Datenbrillen aufnehmen und zur Steuerung von Display-Inhalten nutzen. Diese bi-direktionalen OLED-Mikrodisplays (Auflösung z.B. SVGA 800 x 600 x RGBW) verbinden auf einzigartige Weise die Funktionalitäten eines "wearable Displays“ mit einer hands-free Augensteuerung für die Nutzung u.a. in Augmented-Reality-Datenbrillen oder für die verbesserte Mensch-Maschine-Interaktion. Aktuelles Problem vieler Datenbrillen ist ihre kurze Akkulaufzeit. Hierzu wurden inzwischen extrem stromsparende Displays mit einer beachtlichen Energieersparnis entwickelt. Weiterhin werden aktuell großflächige OLED-Mikrodisplays für AR- und VR-Anwendungen, z.B. für Prothesen visuell beeinträchtigter Menschen und biegbare Displays entwickelt.

Organische Leuchtdioden (OLED) – flexible Flächenlichtquellen für universelle Anwendungen

Organische Halbmaterialien ermöglichen großflächige Bauelemente wie z. B. organische Leuchtdioden (OLED) auf flexiblen Trägermaterialien. Im Gegensatz zu Punktlichtquellen wie LEDs aus Halbleiterkristallen sind OLED Flächenlichtquellen: Ihr Licht erreicht eine Homogenität auf neuem Niveau und lässt sich stufenlos dimmen. Es wirft keine harten Schatten und benötigt keine Reflektoren, Lichtleiter oder ähnliche Optiken – das macht OLED-Leucht­mittel effizient und leicht, zudem kommen sie fast ohne Kühlung aus. Die OLED kann auf flexible und biegbare Träger aufgebracht und in beliebiger Form gestaltet werden und eröffnet somit eine ganz neue Welt des Designs und eine große Bandbreite an Einsatzmöglichkeiten, z. B. für medizinische Anwendungen in der Lichttherapie, in der Architektur oder im Transportbereich als leichtgewichtige Beleuchtungsalternative.

Mit Modulen auf dünnen Substraten wie Metall- und Polymerfolien oder ultradünnem flexiblem Glas können in gekrümmte Oberflächen integrierte Beleuchtung geschaffen werden. Auch eine mögliche Transparenz oder die Farbvariabilität der OLED ist von besonderer Bedeutung.

Die organischen Schichten der OLED reagieren empfindlich auf Sauerstoff und Feuchtigkeit und müssen daher gut geschützt werden. Besonders mit flexiblem ultra-dünnem Glas als Substrat besteht die Möglichkeit, diese hohen Barriereanforderungen und Defektfreiheit für große OLED-Leuchtflächen zu realisieren. Am Fraunhofer FEP ist es nun gelungen, nicht nur die OLED auf dünnstem flexiblem Glas aufzubringen, sondern sie auch gleich in einem einzigen Prozess mit dünnem Glas in einem kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Verfahren zu verkapseln.

Das Fraunhofer FEP verfügt über Kompetenzen entlang der gesamten Wertschöpfungskette für flexible OLED – vom blanken Substrat bis hin zu einer integrierten Leuchte. Wir bieten unseren Partnern und Kunden Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen für alle Entwicklungen bis hin zu kundenspezifischen Layouts auf Prototypenlevel in Kleinserie. Die OLED-Abscheidung kann mittels Rolle-zu-Rolle (R2R)- als auch Sheet-to-Sheet (S2S)-Verfahren auf unseren Forschungslinien erfolgen. Mit dem R2R-Prozess können endlos lange Streifen mit bis zu 30 lm/W und mit S2S hochqualitative OLED mit hoher Performance (>50 lm/W) hergestellt werden. Als Substrate werden hauptsächlich Kunststofffolien mit Barriereschicht oder Ultradünnglas genutzt.

Gesundes Saatgut vor Ort produzieren

Die Versorgung der wachsenden Bevölkerung mit gesunden Nahrungsmitteln ist eine enorme Herausforderung, deren Lösung früh in der Produktionskette beginnt. Neben etablierten  chemischen Beizmitteln existiert ein umweltfreundliches, rein physikalisches Verfahren basierend auf der keimabtötenden Wirkung beschleunigter Elektronen zur effektiven Desinfektion von Saatgut.

Vor über 15 Jahren wurde ein erfolgreiches Verfahren entwickelt, um Saatgut sowie Futtermittel innerhalb von Sekunden zuverlässig von Krankheitserregern zu befreien. Es nutzt niederenergetische Elektronen, um Pathogene dauerhaft zu deaktivieren und ist rein physikalisch - Krankheitserreger können daher keine Resistenzen ausbilden. Am Saatgut verbleiben keine chemischen Rückstände, sodass bspw. nicht ausgebrachtes Saatgut bedenkenlos verfüttert werden kann.

Treffen die energiereichen Elektronen im Wirkbereich auf Schadorganismen, werden diese effektiv abgetötet. Bei der Elektronenbehandlung wird sichergestellt, dass diese nur so tief in die Samenschale eindringen, dass ein Einfluss auf den Embryo und das Endosperm im Inneren des Saatkorns nachweislich ausgeschlossen werden kann. Diese sichere, chemiefreie Behandlung wurde in mehreren Entwicklungsprojekten mit unabhängigen Instituten und Unternehmen nachgewiesen und seit Jahren zur Saatgutproduktion für große Volumina und hohen Durchsatz eingesetzt.

Zur chemiefreien Keimabtötung bei Saatgut im landwirtschaftlichen Sektor wurde am Fraunhofer FEP 2016 eine neue, mobile Anlagengeneration entwickelt, die die effektive, ressourcenschonende und umweltfreundliche Saatgutbehandlung für kleinere bis mittlere Durchsätze wirtschaftlich ermöglicht. Diese nutzt ein innovatives Konzept mit einer ringförmigen Elektronenquelle, welche den Einsatz der eingebrachten Energie senkt und die  wirt­schaftliche Effizienz des Verfahrens gegenüber Anlagen mit zwei Elektronenquellen steigert. Bereits ab 2017 wird diese Technologie für die industrielle Saatgutproduktion kleiner bis mittlerer Mengen auch im ökologischen Landbau verfügbar sein.

atmoFlex - Dünnschichttechnologien zur Beschichtung von Kunststofffolien

Aufgrund des geringen spezifischen Gewichtes, der kostengünstigen Herstellung und der einfachen Prozessierung werden Kunststofffolien in vielen Industriezweigen eingesetzt. Um die Folien in ihren Eigenschaften noch besser an die jeweiligen Anwendungen anzupassen, finden Modifikationen der Volumeneigenschaften oder Oberflächenbeschichtungen statt. So können z.B. Verpackungsfolien mit transparenten Barriereschichten ausgestattet werden oder Druckfarben und Lacke mit niederenergetischen Elektronen ausgehärtet werden.

Am Fraunhofer FEP werden seit vielen Jahren erfolgreich Dünnschichttechnologien zur Beschichtung von Kunststofffolien entwickelt. Grundlage hierfür sind Rolle-zu-Rolle-An­lagen, die Entwicklungen von Schichtsystemen vom Labormaßstab, über Bemusterun­gen bis hin zur ersten Pilotfertigung für industrielle Anwendungen ermöglichen. Seit 2016 ist das neue Anlagenkonzept atmoFlex in Betrieb, das den Anlagenpark des Fraunhofer FEP um die Möglichkeit von Atmosphärendruckprozessen erweitert. Auf der Anlage können Folien für die unterschiedlichsten Anwendungsgebiete beschichtet werden: von dekorativen Folien für Möbel bis hin zu Hochbarriereschichten für Lebensmittelverpackungen oder organische Elektronik. Spezielle Modifikationen im Bahnlaufkonzept erlauben die Verwendung von Glättungs- bzw. Prägefolien, damit zum Beispiel extrem glatte Oberflächen oder Dekorfolien für Möbel hergestellt werden können. Üblicherweise sind hohe Temperaturen bei der Trocknung der Lacke notwendig, die jedoch die sehr dünnen Substratfolien beeinträchtigen könnten. Daher wurde bei der atmoFlex auf ein alternatives Trocknungs- bzw. Vernetzungsverfahren gesetzt. So werden jetzt Elektronenstrahlen zum Vernetzen von Lacken und auch zur Oberflächen­behandlung genutzt. Die Elektronenstrahlen können Schichten durch eine darüber aufgebrachte Schutzfolie hindurch vernetzen. Eine Bearbeitung unter Reinraumbedin­gungen ist daher nicht notwendig, um partikelfreie Schichten zu erhalten.

Neben Kunststofffolien können mit der Anlage auch Beschichtungen von anderen flexiblen Substraten wie Metallfolie, Dünnglas oder Textilien bearbeitet werden. Die Substrate können mit einer Breite von bis zu 1250 mm verarbeitet werden bei einer Prozessgeschwindigkeit von bis zu 150 Metern pro Minute. Der modulare Charakter der Anlage bietet für die Zukunft genügend Möglichkeiten, technologische Erweiterun­gen zu integrieren und neue Prozesse zu erforschen.

Tiefergehend wird in Bereich der Beschichtung flexibler Substrate auch das Zusammenspiel einzelner Technologien - konkret die Herstellung optimierter Permeationsbarrie­reschichtsysteme für Funktionsfolien aus elektronenstrahlvernetzten Lackschichten in Kombination mit PVD-Schichten erforscht. Neben der Permeationsbarrierewirkung sind insbesondere die optischen Eigenschaften Schwerpunkt der Forschung. Mit der vorhandenen neuen Anlage atmoFlex können empfindliche und extrem dünne Vakuumbeschichtungen zum Beispiel direkt mit unter Normalatmo­sphäre aufgebrachten Lackschichten geschützt werden. Solche Kombinationsschichten sind sogar im Außeneinsatz zuverlässig verwendbar.