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Sprühtrocknung: Wirkstoffe passgenau verkapseln

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.09.2017

Instant-Kaffee oder Milchpulver werden mittels Sprühtrocknung hergestellt. Fraunhofer-Forscher haben das Verfahren jetzt so angewandt, dass sich auch unlösliche Komponenten problemlos zu Kern-Schale-Partikeln verarbeiten lassen. Die neue Methode hilft dabei, Wirkstoffkonzentrationen bei medikamentösen Behandlungen zu senken.

Die Verkapselung von Wirkstoffen dient in der Kosmetik oder Pharmazie unter anderem dazu, Substanzen vor äußeren Einflüssen wie zum Beispiel aggressiver Magensäure zu schützen. Mit Hilfe der Verkapselung lässt sich aber auch die Freisetzung der Wirkstoffe im Körper steuern: Sie entweichen je nach Durchlässigkeit des Schalenmaterials nicht auf einmal, sondern nach und nach. Weil so geringere Dosen freigesetzt werden – diese dafür aber kontinuierlich – ist die medikamentöse Therapie besser verträglich und außerdem einfacher handhabbar. Denn anstatt dreimal täglich eine Tablette zu nehmen, reicht unter Umständen eine.

Unlösliche Stoffe sind problematisch

Um den Wirkstoff zu verkapseln, wird er zunächst in einer Flüssigkeit gelöst und mit dem Schalenmaterial vermischt. Danach wird die Lösung in das Zentrum einer Düse geleitet, wo Druckluft mit hoher Geschwindigkeit aus einem Ringkanal strömt. Aufgrund des Drucks wird die Lösung in feine Tröpfchen zerstäubt und anschließend in einen Trocknungszylinder gesprüht. Die Flüssigkeit verdampft und die Kern-Schale-Partikel bleiben als feines Pulver zurück.

Das Problem: Unlösliche Stoffe lassen sich nur schwer mit anderen Materialien vermischen. Das schränkt die Auswahl an Schalenmaterialien ein, die sich zur Herstellung der Partikel verwenden lassen.

Dreistoffdüse ermöglicht beliebige Materialkombinationen

»Wir haben daher für diesen Zweck eine Dreistoffdüse im Sprühverfahren eingesetzt. Damit ist es möglich, zwei Stoffe getrennt voneinander in die Düse einfließen zu lassen. Aufgrund der Scherkräfte vermischen sich die Substanzen an der Düsenöffnung und werden dann gemeinsam zerstäubt«, sagt Michael Walz, der zusammen mit Dr. Achim Weber das neuartige Verfahren am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart etabliert und optimiert hat.

So lassen sich beliebige Materialien kombinieren und die Freisetzung der Wirkstoffe individuell steuern. »Je nach Stoff, Konzentration der Lösung, Volumenstrom der Flüssigkeiten, Trocknungstemperatur oder Druck, der an der Düse angelegt wird, können wir die Partikelgröße und die Effizienz der Verkapselung verändern. Damit sind wir in der Lage, auf alle Kundenwünsche zu reagieren und maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln«, sagt Weber.

Neben der Kosmetik- und Pharmaindustrie ist das neue Verfahren zur Verkapselung von Wirkstoffen auch für die Düngemittel- oder Lebensmittelherstellung interessant.

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick September 2017

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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:

Gameplay Programming for Video Game Designers
Al Biles (Rochester Institute of Technology)
Start: 11.09.2017 / Arbeitsaufwand: 15 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Winzige Spurenverunreinigungen, enorme Auswirkungen

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Presseaussendung der TU Wien vom 21.08.2017

Winzigste Verunreinigungen haben keinen nennenswerten Einfluss auf das Verhalten eines chemischen Stoffes – dachte man bisher. Ergebnisse von Experimenten eines internationalen Forscherteams unter Beteiligung der TU Wien konnten jetzt das Gegenteil beweisen.

Das chemische Verhalten von Stoffen ist in der Welt der Chemie grundsätzlich sehr demokratisch geregelt: die Mehrheit eines Stoffs definiert, wie sich die Substanz verhält, auch wenn „fremde“ Spurenelemente enthalten sind. So kristallisiert Kochsalz und schmeckt wie Kochsalz, auch wenn es Spuren anderer Stoffe enthält. Bisher galt es daher als ausgeschlossen, dass eine Spurenverunreinigung das komplette Kristallisationsverhalten oder den chemischen Aufbau eines Stoffs substanziell verändern kann. Ein Forscherteam der Leibniz Universität Hannover, der TU Wien und der Universität Wien konnte diese Annahme in Experimenten nun widerlegen.

Ein Atom schafft an, eine halbe Milliarde Atome gehorchen

„Unsere Arbeit hatte ihren Ursprung in einem Forschungspraktikum“, erklärt Dr. Peter Weinberger vom Institut für Angewandte Synthesechemie der TU Wien. „Ausgangspunkt war, dass wir uns das eigenartige Kristallisationsverhalten einer Substanz nicht erklären konnten.“ Unzählige Experimente und mehrere Jahre später, konnte das Rätsel um die betreffende Americium-dotierte Verbindung geklärt werden. „Durch unsere Arbeit konnten wir zeigen, dass eine Ultraspurenverunreinigung des radioaktiven Elements Americium das chemische Verhalten der „Seltenen Erde“ Terbium drastisch beeinflusst“, erklärt der Projektleiter Prof. Georg Steinhauser vom Institut für Radioökologie und Strahlenschutz an der Leibniz Universität Hannover. Durch die Verunreinigung mit Americium verhält sich das Terbium, bei dem es sich um einen Vertreter der schweren Seltenen Erden handelt, wie eine leichte Seltene Erde. Der Einfluss eines einzelnen Americium-Atoms verändert die chemischen Eigenschaften einer halben Milliarde Terbium-Atome also derart, dass sie sich verhalten, als hätte sich ihr Atomgewicht scheinbar verringert. Bildlich gesprochen rutscht damit das Terbium im Periodensystem der Elemente deutlich weiter nach vorne. Interessant ist dabei besonders, dass eine Substanzmenge, die eigentlich in der alltäglichen chemischen Betrachtungsweise so gut wie gar nicht vorhanden ist, plötzlich durchaus dramatische Auswirkungen auf ein Experiment haben kann. Die Tatsache, dass Americium radioaktiv ist und damit verhältnismäßig leicht messbar war, hat diesen Nachweis überhaupt erst ermöglicht. „Mit normalen analytisch-chemischen Messmethoden hätten wir eine Verunreinigung nur mit größerem Aufwand wahrnehmen können“, meint Peter Weinberger.

Potentiell weitreichende Konsequenzen

Und wie steht es mit den Auswirkungen, die diese Ergebnisse auf den Alltag haben? Eine wichtige Frage stellt sich dabei an die Design-Kriterien, die man für Endlager von radioaktiven Abfällen anlegt. In der bisherigen Konzeption von Endlagern wurde untersucht, wie sich unterschiedlichste Umweltbedingungen auf das Umweltverhalten der radioaktiven Abfälle auswirken. In Anbetracht der vorliegenden Ergebnisse müsste in Zukunft ebenfalls berücksichtigt werden, welchen ändernden Einfluss radioaktive Abfälle unter bestimmten Bedingungen auf die sie umgebende Umwelt haben könnten. „Dies zu berücksichtigen, wird zweifelsfrei möglich sein. Unsere Forschung hat es jedenfalls ermöglicht, ein künftiges Endlager noch ein gutes Stück sicherer zu machen“, ist Georg Steinhauser überzeugt.

Am Projekt beteiligt waren das Institut für Radioökologie und Strahlenschutz an der Leibniz Universität Hannover, an der TU Wien das Institut für Angewandte Synthesechemie, das Institut für chemische Technologien und Analytik und das Atominstitut sowie das Institut für Mineralogie und Kristallographie an der Universität Wien. (Christine Cimzar-Egger)

Originalpublikation:
Steinhauser, G., Weinberger, P., et al., Picomolar traces of AmIII introduce drastic changes in the structural chemistry of TbIII: a break in the „gadolinium break“. Angew. Chem. Int. Ed.. DOI: 10.1002/anie.201703971

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Hämorrhagische Fieber: Hemmung der Entzündung verhindert Kreislaufkollaps

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 17.08.2017

Hämorrhagische Fieber sind gefährliche Viruskrankheiten, die oft tödlich ausgehen. Forschende der Universität Basel haben nun Botenstoffe des Immunsystems identifiziert, welche bei infizierten Mäusen zu Schockzuständen führen. Diese Resultate eröffnen neue Möglichkeiten zur Entwicklung von lebensrettenden Therapien. Sie wurden in der Fachzeitschrift Cell Host & Microbe veröffentlicht.

Das Lassavirus aus der Familie der Arenaviren wird von Nagetieren in Westafrika auf den Menschen übertragen und verursacht jährlich mehrere zehntausend Todesfälle durch hämorrhagisches Fieber, ähnlich dem Ebolavirus. Im Endstadium kommt es dabei oft zu Schockzuständen. Die Mechanismen, welche zu tödlichem Kreislaufversagen führen, waren bislang aber nur unzureichend bekannt.

Wie eine Forschergruppe um Prof. Daniel Pinschewer vom Departement Biomedizin der Universität Basel nun berichtet, liegt eine wichtige Ursache des Kreislaufversagens nach Arenavirusinfektionen in der überschiessenden Entzündungsreaktion, welche durch das Virus hervorgerufen wird.

Entscheidende Botenstoffe identifiziert

Bei Virusinfektionen bilden T-Zellen eine zentrale Komponente unserer Körperabwehr. In früheren Arbeiten hatte die Gruppe um Prof. Pinschewer aber herausgefunden, dass die Immunzellen bei der Infektion mit dem Lassavirus paradoxerweise zur Krankheitsentstehung beitragen können. In der vorliegenden Studie wurden nun anhand eines verwandten Arenavirus die zugrundeliegenden Mechanismen entschlüsselt.

Übereifrige T-Zellen stimulieren offenbar Fresszellen dazu, dass sie grosse Mengen von Stickstoffmonoxid (NO) produzieren. Dies ist zwar ein wichtiger Abwehrmechanismus bei bakteriellen Infektionen, hilft aber nicht gegen Viren. Bei Tieren, die mit dem Arenavirus infiziert sind, erweiterte NO aber die Blutgefässe, führte zum Ausschwitzen von Flüssigkeit ins Gewebe und dadurch zur Verminderung des effektiven Blutvolumens und schliesslich zum Kreislaufkollaps.

Wie die Forscher weiter herausfanden, bedarf die NO-Produktion durch Fresszellen des Botenstoffes Interferon-gamma, wie er von T-Zellen produziert wird. Wenn dieser Botenstoff medikamentös blockiert wurde, blieben die Mäuse zwar anfällig für die Virusinfektion, doch erlitten sie keinen Kreislaufkollaps und überlebten weitgehend unbeschadet.

Hoffnung auf neue Therapieansätze

Die Therapiemöglichkeiten bei einer Lassavirus-Infektion und anderen viralen hämorrhagischen Fiebern bleiben unzulänglich. Medikamente zur Blockierung von Interferon-gamma beziehungsweise seiner Wirkung werden im Menschen bereits angewandt. Prof. Pinschewer hofft, dass die Resultate der vorliegenden Studie dazu beitragen werden, diese Medikamente allenfalls erfolgreich zur Behandlung von hämorrhagischem Fieber einzusetzen.

Originalbeitrag:
Melissa M. Remy, Mehmet Sahin, Lukas Flatz, Tommy Regen, Lifen Xu, Mario Kreutzfeldt, Benedict Fallet, Camille Doras, Toni Rieger, Lukas Bestmann, Uwe-Karsten Hanisch, Beat A. Kaufmann, Doron Merkler, Daniel D. Pinschewer
Interferon-γ-Driven iNOS: A Molecular Pathway to Terminal Shock in Arenavirus Hemorrhagic Fever
Cell Host & Microbe (2017), doi: 10.1016/j.chom.2017.07.008

Externer Link: www.unibas.ch