Omega-3-Fettsäuren gegen Gefäßverkalkung

Presseinformation der LMU München vom 22.08.2016

Neue Strategie gegen Atherosklerose: LMU-Forscher setzen darauf, körpereigene heilungsfördernde Prozesse zu aktivieren.

Atherosklerose – umgangssprachlich auch als Gefäßverkalkung bekannt – entsteht, wenn Ablagerungen in den Gefäßinnenwänden zu chronischen Entzündungen führen und die Gefäße verengen. Das kann den Blutfluss behindern oder ganz blockieren und schließlich einen Herzinfarkt oder Schlaganfall auslösen. Bisherige Behandlungsstrategien zielen hauptsächlich darauf ab, die Entzündungsreaktion zu hemmen. LMU-Forscher um Professor Oliver Söhnlein vom Institut für Prophylaxe und Epidemiologie der Kreislaufkrankheiten der LMU haben nun eine völlig neue therapeutische Strategie entwickelt, die darauf abzielt, körpereigene heilungsfördernde Prozesse zu aktivieren. Wirkstoffe, die unter anderem in Fischöl enthalten sind, spielen dabei eine wichtige Rolle. Sie konnten im Mausmodell Atherosklerose mindern. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Circulation Research.

Forschungsergebnisse der letzten Jahre haben gezeigt, dass nicht nur die Entstehung, sondern auch das Beenden von Entzündungen ein aktiver Prozess der Immunabwehr ist. „Bei Atherosklerose ist dieses ‘Entzündungs-Beendigungs-Programm‘ gestört, sodass die Entzündung chronifiziert“, sagt Oliver Söhnlein. Für den Entzündungsverlauf sind spezielle Signalmoleküle, die aus essenziellen Fettsäuren gebildet werden, sogenannte Lipidmediatoren, entscheidend: Bei akuten Entzündungen sind zunächst entzündungsfördernde Lipidmediatoren aktiv. Zum Stoppen der Reaktion übernehmen entzündungshemmende Lipidmediatoren die Regulation. Damit dieser Prozess funktioniert, müssen beide Arten von Lipidmediatoren in einem ausgewogenen Verhältnis vorhanden sein.

„Wir konnten nun zeigen, dass diese Balance bei Atherosklerose gestört ist“, sagt Söhnlein. Normalerweise sollten Entzündungsreaktionen nach Ablauf der akuten Phase gestoppt werden, indem die Konzentration der entzündungshemmenden Lipidmediatoren ansteigt. Stattdessen war das Gegenteil der Fall: Wie die Wissenschaftler zeigen konnten, nahmen in atherosklerotischem Gewebe die Lipidmediatoren mit fortschreitender Entzündung sogar ab. „Durch die Zugabe der entzündungshemmenden Lipidmediatoren Maresin 1 und Resolvin D2 konnten wir im Mausmodell diese Imbalance korrigieren und Atherosklerose mindern“, sagt Söhnlein. Maresin 1 und Resolvin D2 werden aus essenziellen Omega-3-Fettsäuren gebildet, die unter anderem in Fischöl enthalten sind, dem schon lange eine gesundheitsfördernde Wirkung nachgesagt wird.

Funktional gesehen beeinflussen die Wissenschaftler mit den Lipidmediatoren die Fresszellen des Immunsystems, die Makrophagen: Makrophagen sammeln sich an atherosklerotischen Plaques an und können einerseits zum Fortschreiten der Entzündung beitragen, da sie sich an Blutfetten überfressen und selbst zugrunde gehen können. Andererseits haben sie aber auch eine wichtige Funktion bei der Heilung entzündeten Gewebes, da sie abgestorbene Zellen entfernen und die Vermehrung glatter Muskelzellen anstoßen. „Die Zugabe der Lipidmediatoren fördert diese entzündungsmindernde Wirkung, lenkt die Aktivität der Makrophagen also in eine gewünschte Richtung“, sagt Söhnlein. „Es wäre wünschenswert, in zukünftigen Studien zu untersuchen, ob die im Mausmodell gewonnenen Erkenntnisse auch auf Menschen übertragbar sind.“

Publikation:
Circulation Research 2016

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Huckepack-Batterie für Mikrochips: TU Graz-Forscher realisieren neues Batteriekonzept

Presseaussendung der TU Graz vom 17.08.2016

Elektrochemikern der TU Graz ist es gelungen, einkristallines Halbleitersilizium als aktive Speicherelektrode in Lithium-Batterien einzusetzen. Dies ermöglicht die integrierte Energieversorgung von Mikrochips mit einer wieder aufladbaren Batterie.

Elektronische Kleingeräte wie Handys, Tablets oder Notebooks sind heute unerlässliche Begleiter durch den Alltag. Im Inneren dieser Geräte überwachen, steuern und regeln integrierte Schaltkreise auf Silizium-Chips die mannigfaltigsten Prozesse. Klare Tendenz in der Mikroelektronik: noch kleiner, mobiler und vielfältiger. Hier liegt die Bedeutung der nun in Scientific Reports veröffentlichten Forschungsergebnisse des Forschungsteams rund um Michael Sternad und Martin Wilkening vom Christian Doppler-Labor für Lithium-Batterien am Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz: die on-board Energieversorgung eines Mikrochips könnte das Anwendungsspektrum der Mikroelektronik deutlich erweitern.

Mini-Batterie für Mikrochips

Als Ergebnis mehrjähriger Grundlagenforschung am CD-Labor für Lithium-Batterien an der TU Graz konnte nun gezeigt werden, wie einkristallines Silizium, aus dem der Mikrochip besteht, direkt als Batterieelektrode (Anode) genutzt werden kann. Damit beherbergt der Mikrochip nicht nur die Elektronik, sondern ist gleichzeitig der wesentliche Teil einer Mini-Batterie, die elektrische Energie z.B. zum Senden und Empfangen von Informationen bereitstellt. „Normalerweise kann man Einkristall-Silizium nicht ohne weiteres als Batteriekomponente verwenden, da es sich bei der Umsetzung mit Lithium stark ausdehnt, Risse bekommt und allmählich zerstört wird“ erklärt Michael Sternad, Mitarbeiter am Christian Doppler-Labor für Lithium-Batterien an der TU Graz. „Wir nutzen direkt das dotierte Halbleitersilizium des Chips. Dazu wird es jedoch vorher gezielt unter Kenntnis der Kristallachsen mikrostrukturiert und dann elektrochemisch in besonderer Weise aktiviert,“ erläutert Michael Sternad.

Leistungsstark und kostengünstig

Neben der enormen Speicherkapazität (mehr als 1000 mAh/g) und einer hohen Stromeffizienz (Coulomb Effizienz >98.8 %) der Siliziumelektrode, war für die Forschenden insbesondere die Tatsache überraschend, dass die kleinen Silizium-Türme, aus denen die Anode der Lithium-Batterie besteht, mehr als 100 volle Lade- und Entladezyklen bei nur wenigen Prozent Kapazitätsverlust überstehen. Damit übertrifft die elektrochemische Lebensdauer der Mikrobatterie jedenfalls die durchschnittliche Einsatzdauer eines Sensors oder einer Sonde. Martin Wilkening, Leiter des Instituts für Chemische Technologie von Materialien sowie des CD-Labors für Lithium-Batterien zeigt sich begeistert von diesem Mini-Kraftwerk: „Die Mikrobatterie ist nur wenige Millimeter groß und erreicht Leistungsstärken, die mit den besten heutzutage erhältlichen Li-Ionenbatteriesystemen konkurrieren können. Zudem könnten auf einem Halbleiter-Si-Wafer mehrere tausend Zellen parallelisiert hergestellt werden, so dass Stückpreise von wenigen Cent erreichbar wären.“

Christian Doppler-Labor für Lithium-Batterien – Alterungseffekte, Technologie und Neue Materialien

Das Christian Doppler-Labor für Lithium-Batterien am Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz wurde 2012 gegründet und widmet sich unter anderem neuen Konzepten für Lithium-Batterien. Neben Si-Mikrobatterien werden insbesondere Li-Festkörperbatterien untersucht. Unternehmenspartner des CD-Labors sind AVL List GmbH und Infineon Technologies Austria AG.

An der TU Graz ist die Batterien-Forschung im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ verankert, einem von fünf strategischen Forschungsschwerpunkten. (Barbara Gigler)

Externer Link: www.tugraz.at

Maßgeschneiderte Spitzen für Rasterkraftmikroskope

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 09.08.2016

3D-Laserlithografie verbessert Mikroskop-Komponente für die Untersuchung von Nanostrukturen in Biologie und Technik / Veröffentlichung im Fachmagazin Applied Physics Letters

Rasterkraftmikroskope machen die Nanostruktur von Oberflächen sichtbar. Ihre Sonden tasten das Untersuchungsmaterial dazu mit feinsten Messnadeln ab. Am KIT ist es nun gelungen, den Messnadeln eine maßgeschneiderte Form zu geben. So kann eine passende Messspitze für jede Messaufgabe hergestellt werden, etwa für verschiedenartige biologische Proben. Möglich macht dies die 3D-Laserlithografie, also ein 3D-Drucker für Strukturen in Nanometer-Größe. Die Fachpublikation Applied Physics Letters widmet diesem Erfolg nun ihre Titelseite. DOI: 10.1063/1.4960386

Mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie ist es möglich, Oberflächen bis in die atomare Ebene hinein zu analysieren. Die bislang dafür gebräuchlichen, in Standardgrößen erhältlichen Spitzen eignen sich jedoch nicht für jeden Einsatz. Manch ein Untersuchungsobjekt erfordert eine speziell gestaltete Form oder eine besonders lange Spitze, mit der sich starke Vertiefungen im Material abtasten lassen. Wissenschaftler am KIT zeigen jetzt, wie es möglich ist, optimal an spezielle Anforderungen angepasste Sondenspitzen einfach herzustellen.

„Biologische Oberflächen, zum Beispiel die Blütenblätter von Tulpen oder Rosen, haben häufig Strukturen, die sehr tief sind und hohe Hügelchen aufweisen“, sagt Privatdozent Hendrik Hölscher, der am Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT die Arbeitsgruppe Rastersonden-Technologien leitet. Die auf dem Markt erhältlichen Spitzen seien typischerweise 15 Mikrometer – 15 Tausendstel Millimeter – hoch, pyramidenförmig und relativ breit, so der Physiker. Anders geformte Spitzen sind zwar zu kaufen, jedoch aufwendig in Handarbeit hergestellt und teuer.

Mit Hilfe der 3D-Laserlithografie ist es den Karlsruher Forschern nun gelungen, maßgeschneiderte Spitzen in beliebiger Gestalt zu formen, die einen Radius von nur 25 Nanometer – 25 Millionstel Millimeter – haben. Das Verfahren, mit dem sich jede gewünschte Form mit dem Computer gestalten und anschließend im 3D-Druck herstellen lässt, ist im makroskopischen Bereich bereits einige Zeit bekannt, auf der Nanoskala ist dieser Ansatz anspruchsvoll. Um die jeweils gewünschten dreidimensionalen Strukturen zu erhalten, nutzen die Forscher das am KIT entwickelte und von dem Unternehmen Nanoscribe – einer Ausgründung des KIT – vermarktete Verfahren der 3D-Lithografie. Sie basiert auf der Zwei-Photonen-Polymerisation: Stark fokussierte Laserimpulse lassen lichtempfindliche Materialien in den gewünschten Strukturen aushärten, die anschließend aus dem umliegenden, nicht belichteten Material herausgelöst werden. „Die Methode bietet den Vorteil, dass sich für jede Probe, die man untersuchen möchte, die perfekte Spitze herstellen lässt“, erläutert Hölscher.

Über den Nutzen des Verfahrens für die Verbesserung der Rasterkraftmikroskopie berichten die Forscher unter dem Titel „Tailored probes for atomic force microscopy fabricated by two-photon polymerization“ in der Fachzeitschrift Applied Physics Letters. Die in beliebiger Form herstellbaren Spitzen lassen sich auf herkömmliche handelsübliche Messnadeln aufsetzen und zeigen einen geringen Verschleiß. Sie eignen sich hervorragend für die Untersuchung von biologischen Proben, aber auch von technischen und optischen Komponenten auf der Nanoebene.

Gefördert wurde die Forschung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, durch ein ERC Starting Grant und ein Senior Grant des Europäischen Forschungsrates, durch Mittel der Alfried Krupp von Bohlen und Halbach Stiftung sowie – innerhalb des Verbundprojekts PHOIBOS – durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung, außerdem wurde sie unterstützt durch die Hochtechnologieplattform „Karlsruhe Nano-Micro-Facility“ (KNMF) am KIT. (afr)

Publikation:
Gerald Göring, Philipp-Immanuel Dietrich, Matthias Blaicher, Swati Sharma, Jan G. Korvink, Thomas Schimmel, Christian Koos, and Hendrik Hölscher: Tailored probes for atomic force microscopy fabricated by two-photon polymerization. Applied Physics Letters. DOI: 10.1063/1.4960386

Externer Link: www.kit.edu

technologiewerte.de – MOOCblick August 2016

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Linear Algebra – Foundations to Frontiers
Maggie Myers (The University of Texas at Austin) et al.
Start: 24.08.2016 / Arbeitsaufwand: 120 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Kamerabasierte Personenerfassung für den Auto-Innenraum

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.08.2016

Rückfahrassistent oder Fußgängererkennung: Moderne Autos analysieren ihre Umgebung aufs Genauste. Den Innenraum dagegen sparen die Sensoren bisher weitestgehend aus. Nicht so ein neuartiges System: Es erkennt Anzahl und Größe der Personen im Fahrzeug und weiß, worauf sie ihre Aufmerksamkeit richten. Somit legt es die Basis für neuartige Assistenzsysteme, etwa für das automatisierte Fahren.

Den Blick fest auf die Straße gerichtet, jederzeit zur Reaktion bereit – so sitzen Autofahrer hinter dem Steuer. Künftig könnte sich das ändern: Wenn das Auto eigenständig lenkt und bremst, kann sich der Fahrer bequem zurücklehnen, eine Nachricht auf dem Smartphone verschicken, sich zu den Kindern auf der Rückbank umdrehen oder – das Fahrzeug kann dem Fahrer temporär ein erweitertes Infotainment-Angebot bereitstellen. Mit dieser Vision des vollautomatisierten Fahrens ergeben sich neue Möglichkeiten für den Fahrer, die Fahrtzeit zu nutzen und Aktivitäten jenseits des Fahrens nachzugehen – und damit auch neue Anforderungen an die Assistenzsysteme. Doch während es bereits zahlreiche Sensoren gibt, die das Umfeld des Autos analysieren, fehlen solche Systeme für den Innenraum.

Basis für neue Assistenzsysteme

Forscher der Fraunhofer-Institute für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB in Karlsruhe und für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO in Stuttgart entwickeln im Projekt »Intelligent Car Interieur«, kurz InCarIn, erstmals ein System für den Fahrzeug-Innenraum – gemeinsam mit ihren Kollegen der Volkswagen Konzernforschung, von Bosch, Visteon und weiteren Unternehmen. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. »Wir weiten die Sensorik auf den gesamten Innenraum aus«, erläutert Dr. Michael Voit, Gruppenleiter am IOSB. »Über Tiefenkameras erfassen wir das Fahrzeuginnere, erkennen die Anzahl der Personen, ihre Größe und ihre Körperhaltung. Daraus leiten wir die Aktivitäten der Personen ab.« Das langfristige Ziel liegt im Aufbau neuer Assistenzsysteme. Wichtig ist dies unter anderem bei teilautomatisiertem Fahren: Dreht sich der Fahrer zu den Kindern um, die auf der Rückbank sitzen, könnte in diesem Moment das System auf einem Monitor das Videobild der Rückbank darstellen – so kann der Fahrer den Blick umgehend wieder gen Straße richten und sieht dennoch, was die Kinder machen. »Über die Sensoren kann das System abschätzen, wie lange der Fahrer nach dem automatisierten Fahren brauchen wird, um die Kontrolle über das Fahrzeug wieder vollständig zu übernehmen«, erklärt Frederik Diederichs, Wissenschaftler und Projektleiter am IAO. Anhand der Information, wo die Personen sitzen und wie groß sie sind, ließe sich beispielsweise auch der Airbag an die individuelle Körpergröße anpassen – und über die Analyse der Gliedmaßen auch an spezielle Situationen wie an den Beifahrer, der die Füße auf das Armaturenbrett gelegt hat.

System erkennt Aktivitäten der Personen

Die Herausforderung liegt vor allem in der Auswertung der aufgenommenen Daten. Personen und deren Gliedmaßen erkennt die Software bereits, auch kann sie über eine Art Skelett, das sie über die Personenbilder legt, die Bewegungen nachvollziehen. Doch wie bringt man dem Computer bei, welche Aktivitäten die Personen gerade ausführen? »Eine Herausforderung liegt darin, Gegenstände, mit denen sich die Person beschäftigt, zuverlässig zu erkennen. Wenn man bedenkt, dass prinzipiell jedes Objekt in das Fahrzeug gebracht werden kann, müssen irgendwo Grenzen der Erfassungsmöglichkeiten gezogen werden. Wir setzen daher Grundvoraussetzungen, indem wir dem Computer mitteilen, wo sich etwa Sonnenschutzblende und Handschuhfach befinden«, erklärt Voit.

Die Forscher haben die Kameras und die zugehörigen Auswertealgorithmen zunächst im IAO-eigenen Fahrsimulator getestet und weiterentwickelt. Nun soll das System – integriert in einen Volkswagen Multivan – in Probandenversuchen zeigen, was es kann. Hier werden Grundlagen für die neuen Fahrzeugkonzepte der nächsten fünf bis zehn Jahre gelegt.

Externer Link: www.fraunhofer.de