Anemone Seger — 22.08.2017

Bei der gemeinsamen Forschungsinitiative «Subitex» spannen der Branchenverband Swiss Textiles und das Laboratory for Biomimetic Membranes and Textiles der Empa für Innovationen zusammen. Dadurch liessen sich bereits zehn KTI-Projekte realisieren.

Beim Begriff Textilien denken die wenigsten sofort an textile Sensoren, Pflaster, die Substanzen abgeben können, oder an eine Herzpumpe. «Aber die Vorstellung, dass von Wollsocken oder Baumwollshirts die Rede ist, wenn wir von Textilien sprechen, ist schon lange veraltet», meint Professor Dr. René Rossi, Abteilungsleiter des Laboratory for Biomimetic Membranes and Textiles an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in St.Gallen. Seine Abteilung beschäftigt sich mit der Entwicklung von Materialien, insbesondere von Textilien, zum Schutz und zur besseren Leistungsfähigkeit des menschlichen Körpers. «Von einem Textil sprechen wir, wenn ein eindimensionales Material, also eine Faser, zu etwas Zweioder Dreidimensionalem verarbeitet wird.» Jedes Material lässt sich zu Fasern und damit zu einem Textil verarbeiten, so kommen zum Beispiel Keramik-, Holz-, Metall-, Plastik- oder Baumwollfasern zum Einsatz. «Textilien haben aufgrund ihrer Eigenschaften ein riesiges Potenzial. Sie sind meist flexibel, leicht, reissfest, formbar und doch formstabil und haben eine sehr grosse Oberfläche. Das alles kann kein anderes Material bieten», erklärt der Textilforscher Rossi.

Prof. Dr. René Rossi ist der Subitex-Projektleiter an der Empa.
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Subitex – Sustainable Biomedicine Textiles

Die Textil- und Bekleidungsindustrie hat in der Schweiz eine lange Tradition, so war die Schweiz in der Stickerei oder bei leichten Baumwollgeweben lange Zeit führend. Damit die Schweizer Textilunternehmen auch heute im internationalen Wettbewerb mithalten können, braucht es Innovation. Hier setzt die Forschungsinitiative «Subitex – Sustainable Biomedicine Textiles» an, die Swiss Textiles zusammen mit der Empa Anfang 2015 lanciert hat. Dabei spannen Industrie und Forschung zusammen, um durch Wissenstransfer Innovationen zu fördern und diese schneller auf den Markt zu bringen. «Gerade im biomedizinischen Bereich, seien dies Anwendungen am menschlichen Körper oder in dessen Inneren, haben Textilien aufgrund ihrer Eigenschaften ein enormes Potenzial, das es noch besser zu nutzen gilt», erläutert Rossi, Subitex-Projektleiter an der Empa. «Ich denke zum Beispiel an textile Sensoren oder Pflaster für die gezielte Abgabe von Medikamenten.» Hauptsponsor von Subitex ist der Verband Swiss Textiles, der seinen Mitgliedern damit diese exklusive Zusammenarbeit ermöglicht.

15 Mitgliedsfirmen von Swiss Textiles sind zurzeit bei Subitex dabei. «Mit der Initiative zeigt die Textilindustrie, dass die Schweizer Textilforschung relevant ist, und gleichzeitig verpflichtet sich die Empa, während weiterer fünf Jahre Textilforschung zu betreiben», ergänzt Rossi.

Erste Erfolge von Subitex zeigen sich bereits heute zwei Jahre nach der Lancierung. So haben sich zehn Projekte ergeben, die von der Kommission für Technik und Innovation (KTI) des Bundes mitfinanziert werden. Beteiligt sind die Firmen Flawa AG, AG Cilander, E. Schellenberg Textildruck AG, Mammut Sports Group AG, Schoeller Textil AG, Serge Ferrari Tersuisse AG und TISCA Tischhauser & Co. AG. Um was es bei den KTI-Projekten inhaltlich genau geht, möchte momentan aus Patentschutzgründen noch keine der Firmen verraten. Die Forschungsinitiative Subitex ist auf fünf Jahre angelegt, sie läuft noch bis 2020.

Das Empa-Forschungsteam mit Dr. Giuseppino Fortunato (Zweiter von rechts), das in das Projekt Zurich Heart involviert ist. Zwei der acht Teammitglieder fehlen auf dem Bild.
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Gesamtes Textilwissen der Empa fliesst in die Industrie

Wie läuft die Zusammenarbeit zwischen der Industrie und der Empa ab? «Es ist ein push- und pull-Prozess. Das heisst, auf der einen Seite pushen wir vonder Empa die Innovationen in die Industrie, indem wir Ideen, die sich aus unserer Forschung ergeben, mit einem Subitex-Partner umsetzen. Auf der anderen Seite holen sich die Firmen für ihre Ideen oder Produkte die Unterstützung von uns», beschreibt Subitex-Projektleiter Rossi die Kooperation. Konkret sieht die Zusammenarbeit so aus, dass die Empa zweimal jährlich einen Innovationswo präsentieren drei Forschende während einer Stunde neue Technologien oder Materialien. Im Anschluss können die Firmen individuelle Gespräche mit den Forschenden führen. «Mit diesen Workshops stellt die Empa nach und nach ihr gesamtes Textilwissen den Firmen zur Verfügung», sagt Rossi.

Um noch mehr Textilwissen an die Subitex-Partner weitergeben zu können, hat die Empa einen Teil der finanziellen Beiträge aus Subitex in das Programm «Self-care materials» des Competence Centre for Materials Science and Technology (CCMX) des ETH-Bereichs investiert. Das Programm erforscht Faserstrukturen zur Substanzabgabe oder -aufnahme. Das CCMX-Programm ist ein Mix aus Grundlagen- und Industrieforschung und ist lukrativ, da sich der Schweizerische Nationalfonds (SNF) mit der gleichen Summe daran beteiligt wie die Industrie.

Prof. Dr. René Rossi, Empa

Jedes Material lässt sich zu Fasern und damit zu einem Textil verarbeiten.
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Der menschliche Körper als Textil

Wohin die Grundlagentextilforschung im Bereich der biomedizinischen Anwendungen in Zukunft führt, zeigt das Forschungsprojekt «Zurich Heart»: Hier werden Herzpumpen weiterentwickelt, die Spenderherzen eines Tages komplett ersetzen sollen. Das Projekt ist eine Zusammenarbeit der ETH, der Universität und universitären Spitäler Zürich, des Deutschen Herzzentrums Berlin und der Empa. Bereits seit 30 Jahren werden künstliche Herzpumpen eingesetzt. Diese haben aber das Problem, dass sie Blutgerinnsel verursachen können, weil das Blut in Kontakt mit körperfremdem Material kommt. Um das Problem zu vermeiden, sollen auf der Innenfläche des Zurich Heart körpereigene Zellen des Patienten gezüchtet werden. Hier kommt die Textilforschung der Empa ins Spiel. Die Forschenden wollen im Inneren der Pumpe den Aufbau eines Blutgefässes imitieren. Blutgefässe bestehen von innen nach aussen betrachtet aus einer Schicht Endothelzellen, Muskelzellen und aus einer extrazellulären Matrix, einer Art Gerüst, das die Zellen zusammenhält. «Im Zurich Heart ersetzt ein polymeres Vlies diese extrazelluläre Matrix», erzählt Dr. Giuseppino Fortunato, Mitarbeiter beim Projekt Zurich Heart an der Empa. «Im Prinzip wird das Vlies mit einer Schicht körpereigenen Muskelzellen versponnen mit anschliessender Kultivierung einer Schicht aus Endothelzellen.» Zurzeit forschen rund sieben Biologen, Chemiker und Physiker der Empa am Projekt Zurich Heart. Dabei stehen vor allem zwei Fragestellungen im Zentrum: Einerseits wie das Vlies mit den Muskelzellen verwoben und andererseits wie das elastische Vlies an die Innenfläche der Herzpumpe stabil angebracht werden kann.

Dr. Giuseppino Fortunato, Empa

Nun sind wir daran zu testen, wie Blut reagiert, wenn es mit dem Vlies und den Zellen in Kontakt kommt.
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Ein Vlies – sieben Mal leichter als Kopierpapier

Ein Vlies besteht aus endlosen oder geschnittenen Fasern in nicht orientierter Form und ohne Verschlingungen. Das heisst, ein Vlies weist keine regelmässige Struktur auf – es sieht unter dem Mikroskop aus wie ein nicht aufgerollter Wollknäuel. Das Vlies für das Zurich Heart besteht aus einer ein paar Hundert Nanometer dicken Faser, hergestellt aus einer Polymerlösung. Zum Vergleich: Die Faser ist rund 200 Mal dünner als ein menschliches Kopfhaar. Für das Spinnen des Vlieses wird das Verfahren des Electrospinnings angewendet. Dabei wird die Polymerlösung in eine Spritze abgefüllt und an Hochspannung angeschlossen. Durch das elektrische Feld bildet sich ein Jet aus, die Faser wird verwirbelt und auf einer Gegenelektrode wird die Faser abgeschieden, wo sich das Vlies ausbildet. Gleichzeitig besprühen die Empa-Forschenden bei diesem Prozess das sich bildende Vlies mit den Muskelzellen, wodurch sich die Muskelzellen im Vlies einbetten. «Die Vliesherstellung und das Besprühen mit den Zellen gelingt uns bereits», berichtet der Chemiker Fortunato, «nun sind wir daran zu testen, wie Blut reagiert, wenn es mit dem Vlies und den Zellen in Kontakt kommt.»

Optimale Lösung: ein Vlies aus zwei verschiedenen Materialien?

Das Material, aus dem das Vlies hergestellt wird, ist entscheidend, weil das Vlies eine Reihe von Eigenschaften erfüllen muss: So darf sich das Vlies in der Pumpe nicht abbauen, es muss elastisch sein, damit es die Pumpbewegungen mitmacht, und es muss sich mittels einer chemischen Bindung an die Silikonoberfläche der Herzpumpe anbinden lassen. Aktuell laufen an der Empa Tests, welches Polymer diese Anforderungen am besten erfüllt. «Wir können uns auch vorstellen, dass wir einen Gradienten erhalten, also einen Unterschied im Vlies, indem wir das Vlies aus zwei Polymerlösungen spinnen. So kann ein Polymer besser für die chemische Anbindung an die Pumpenwand geeignet sein und ein anderes für optimale Wechselwirkungen mit den Muskelzellen sorgen», so Fortunato. «Man kann sich das so vorstellen, wie wenn man beim Stricken mit einem roten Faden beginnt und in der Hälfte mit einem blauen weitermacht.» Die Forschenden gehen davon aus, dass sie noch rund zehn Jahre am Projekt Zurich Heart arbeiten werden, bis die Technologie marktreif sein wird.

Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa

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