Sprühtrocknung: Wirkstoffe passgenau verkapseln

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

Smartpump: Klein, aber leistungsstark

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.08.2017

Feinstaub schädigt Herz und Lunge. Vor einer hohen Belastung könnte in Zukunft ein Smartphone mit eingebautem Gassensor warnen. Damit der Sensor schnell anspricht und genaue Messwerte liefern kann, haben Fraunhofer-Forscher eine leistungsstarke Mikromembranpumpe entwickelt, die die Umgebungsluft zuführt.

»Unsere Smartpump ist nur fünfundzwanzig Quadratmillimeter groß und damit die kleinste Pumpe der Welt. Trotzdem hat sie ein hohes Kompressionsverhältnis«, sagt Dr. Martin Richter, der die Abteilung Mikrodosiersysteme an der Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT in München leitet.

Um in der Pumpkammer Druck zu erzeugen nutzen Richter und sein Team den piezoelektrischen Effekt, der elektrische Spannung in mechanische umwandelt: Mit Hilfe von Wechselspannung wird die Silizium-Membran nach oben oder unten bewegt, dadurch Umgebungsluft durch ein Ventil eingesaugt, in der Pumpkammer verdichtet und wieder herausgepresst.

Druck wird durch Trick erhöht

Herkömmliche piezoelektisch angetriebene Mikromembranpumpen können nur relativ niedrige Drücke mit Luft erzeugen. Denn die Unsymmetrie des Piezoeffektes erfordert viel Platz in der Pumpkammer, um die Membran bewegen zu können. Dadurch entsteht unvermeidbar ein hohes Totvolumen, also ein Restvolumen, dessen Gasinhalt nicht ausgestoßen wird. Durch einen Trick ist es Richter und seinem Team gelungen, das Totvolumen zu reduzieren und so den Druck und das Saugvermögen zu erhöhen: »Wir spannen die Membran bei der Montage der Piezokeramik mit dem Piezoeffekt definiert vor. Das hat den Vorteil, dass wir keine tiefe Pumpkammer mehr benötigen. Dieser Trick ermöglicht nicht nur Mikropumpen mit hohen Kompressionsverhältnissen, sondern auch insgesamt kleiner zu bauen.«

Nicht nur die Membran, auch die Klappventile und die Pumpkammer werden aus einkristallinem Silizium gefertigt, was gegenüber Metallen und Kunststoffen zahlreiche Vorteile hat: Das Halbmetall, aus dem auch Solarzellen oder Computerchips hergestellt werden, ist elastisch und ermüdungsfrei. Zudem lassen sich die einzelnen Pumpenkomponenten sehr exakt aus der Siliziumschicht herausätzen und anschließend aneinanderfügen. Der Nachteil: Silizium ist verhältnismäßig teuer. Auch deshalb ist es so wichtig, die Pumpe so klein wie möglich zu bauen. »Unser Ziel ist, die Pumpe auf eine Größe von zehn Quadratmillimeter zu verkleinern. Dann wäre die Massenfertigung rentabel. Wir sind hier auf einem guten Weg«, sagt Richter.

Die Integration von Gassensoren in Smartphones wird derzeit unter anderem dadurch erschwert, dass die Reaktionszeiten für diese Sensoren viel zu lang sind. Die Smartpump könnte den Gassensoren gezielt Luft zuführen und so die Reaktionszeit von mehreren Minuten auf zwei Sekunden verkürzen. Messen ließe sich nicht nur die Feinstaub-Belastung, sondern beispielsweise auch, ob die Raumluft verbraucht ist und die Fenster zum Lüften geöffnet werden sollten. Auch eine Atemluft-Analyse wäre prinzipiell möglich, beispielsweise um den Alkohol-Gehalt zu kontrollieren. »Allerdings ist hier eine hohe Messgenauigkeit erforderlich, die zurzeit noch nicht erzielt wird. Sonst setzt sich jemand in dem Glauben, nur 0,3 Promille zu haben, hinter das Steuer, hat aber in Wirklichkeit 0,9«, warnt Richter.

Vielfältig einsetzbar

Die Mikropumpe könnte auch im medizinischen Bereich zum Einsatz kommen, zum Beispiel als Medikamenten-Pflaster, das kontinuierlich Kleinstmengen eines Hormons oder Schmerzmittels abgibt. Oder als Implantat, mit dessen Hilfe sich der Augeninnendruck bei einer Glaukom-Therapie regulieren ließe. Maschinen könnten durch die Pumpe mit exakt dosiertem Schmierstoff versorgt werden. »Diese Anwendung entwickeln wir bereits mit einem Partner aus der Industrie.«

Im Rahmen des Förderprogramms »Discover«, das unkonventionelle und originelle Ideen unterstützt, erforschen Richter und seine Kollegen noch ein weiteres Anwendungsgebiet: das Hinterlegen von Audio- und Videodateien mit Duftszenarien. »Unsere Smartpump wird in einem Headset verbaut und verabreicht nasennah genau dosierte Düfte. Die Gaming-Industrie hat bereits Interesse angemeldet.« Generell sei die Smartpump für alle Anwender interessant, die kleinste Mengen an Flüssigkeiten oder Gasen genau dosieren wollen.

Das Smartpump-Projekt wird gefördert durch die Fraunhofer-Zukunftsstiftung, die das Ziel verfolgt, Innovation und Beschäftigung am Standort Deutschland mittels der Lizenzierung von Forschungsergebnissen an Unternehmen zu stärken.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Handysteuerung mit Gesichtsgesten

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 04.07.2017

Mobilgeräte nehmen einen immer wichtigeren Platz in unserem Leben ein – in manchen Situationen können sie jedoch nicht angemessen gesteuert werden, und schon das Annehmen eines Anrufs ist eine echte Herausforderung. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Graphische Datenverarbeitung IGD in Rostock haben in einer Studie evaluiert, welche alternativen Steuerungskonzepte sich eignen, um die herkömmliche Steuerung mobiler Geräte zu ergänzen. Viel Potenzial verspricht die Eigenentwicklung EarFieldSensing (EarFS), die Gesichtsgesten über einen speziellen Ohrstöpsel erkennt und neben dem Einsatz an Mobilgeräten weitere Entwicklungsmöglichkeiten bietet.

Moderne Mobilgeräte werden meist mithilfe eines Touchscreens gesteuert. Im Alltag gibt es jedoch viele Situationen, in denen sich diese Art der Bedienung nicht umsetzen lässt. Trägt man zum Beispiel Handschuhe oder hat die Hände mit Einkäufen voll, ist das Nutzen von Smartphone und Co. nur schwer möglich. Wissenschaftler des Fraunhofer IGD suchen daher nach alternativen Konzepten zur Steuerung mobiler Geräte. Naheliegend ist die Steuerung via Sprache. Doch Herausforderungen wie Umgebungslärm sowie die soziale Akzeptanz setzen der Sprachsteuerung enge Grenzen. Die Lösung der Fraunhofer-Experten: Die Steuerung über Kopf- und Gesichtsgesten wie Augenzwinkern, Lächeln oder Nicken.

EarFS misst das Lächeln im Ohr

Im Rahmen der Erforschung berührungsloser Steuerung für mobile Szenarien evaluierten die Rostocker Forscher und Forscherinnen verschiedene Technologien, mit denen Kopf- sowie Gesichtsbewegungen ausgelesen werden können. Dabei kam besonders der Alltagstauglichkeit große Bedeutung zu. So sind zum Beispiel Systeme, die Gesten mithilfe von Sensoren direkt im Gesicht ablesen, zwar sehr genau und in der Lage, eine große Zahl an Gesten zu erkennen. Allerdings sind sie derart auffällig und unangenehm zu tragen, dass sie sich nicht für den täglichen Gebrauch in der Öffentlichkeit eignen. Dafür bedarf es möglichst unauffälliger Systeme wie zum Beispiel EarFS, einer Eigenentwicklung des Fraunhofer IGD. Dabei handelt es sich um einen speziellen Ohrstöpsel, der die Muskelströme und Verformungen des Ohrkanals misst, die bei Gesichtsbewegungen auftreten. Der Sensor registriert bereits kleinste Bewegungen im Gesicht durch die Art, wie sich die Form des Ohrkanals verändert, und misst Muskelströme, die bei der Bewegung des Gesichts oder des Kopfes entstehen.

»Die Herausforderung war, dass diese Ströme und Bewegungen mitunter sehr klein sind und verstärkt werden müssen«, erklärt Denys Matthies, Wissenschaftler am Fraunhofer IDG. »Außerdem dürfen die Sensoren sich nicht von anderen Bewegungen des Körpers, zum Beispiel den Erschütterungen beim Gehen oder von externen Interferenzen stören lassen. Dafür wurde eine zusätzliche Referenzelektrode an das Ohrläppchen angebracht, die die von außen kommenden Signale registriert.« Die im Inneren des Ohrs erfassten Signale werden mit den von außen kommenden Signalen abgeglichen – das verbleibende Nutzsignal ermöglicht eine eindeutige Gesichtsgestenidentifizierung, selbst wenn der EarFS-Träger sich bewegt.

Zahlreiche Einsatz- und Weiterentwicklungsmöglichkeiten

EarFS ermöglicht nicht nur Mikrointeraktionen mit dem Smartphone wie etwa das Annehmen und Ablehnen von Telefonanrufen oder die Steuerung des Music-Players. Die Auswertung der Gesichtsbewegungen erlaubt auch Rückschlüsse auf Müdigkeit, Anstrengung und andere Gemütszustände des Nutzers. Dadurch könnten Smartphones beispielsweise Autofahrer warnen, wenn verstärkt Zeichen von Müdigkeit und Erschöpfung registriert werden, oder sich automatisch lautlos stellen, wenn ihr Besitzer hoch konzentriert arbeitet. Denkbar ist der Einsatz der Technologie auch im medizinischen Bereich. Zum Beispiel könnte sie Menschen mit Locked-in-Syndrom helfen, leichter zu kommunizieren, indem sie ihnen ermöglicht, Computer mit Gesichtsbewegungen zu steuern. Doch damit ist das Potenzial von EarFS noch lange nicht erschöpft. »Das Differential Amplification Sensing, also das Verstärken von Muskelströmen und Ohrkanalverformungen bei gleichzeitigem Herausfiltern von externen Signalen, füllt eine Forschungslücke«, so Matthies. »Mit der Technologie können wir auch an anderen Stellen des Körpers Aktivitäten ablesen und von externen Signalen trennen: Dies eröffnet uns weitere Einsatzmöglichkeiten, darunter die komplementäre Steuerung von Maschinen in der Industrie 4.0.«

Externer Link: www.fraunhofer.de

Einzelne Zellen auf dem Präsentierteller

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.06.2017

Je mehr Tumorzellen sich im Blut auf Wanderschaft befinden, desto größer die Gefahr einer Metastasenbildung. Im Blut zirkulierende Tumorzellen sind ein wichtiger Indikator dafür, ob und wie eine Therapie wirkt. Fraunhofer-Forscher haben jetzt einen Mikrolochchip entwickelt, der eine zuverlässige Identifizierung und Charakterisierung der Zellen ermöglicht – und das innerhalb von nur wenigen Minuten.

Mit dem herkömmlichen Analyseverfahren FACS (fluorescence-activated cell sorting) lässt sich die Anzahl der im Blut zirkulierenden Tumorzellen nur grob bestimmen. »Bei FACS werden die Zellen farblich markiert, sortiert und in verschiedenen Behältern gesammelt«, erklärt Dr. Thomas Velten, dessen Team den neuen Mikrolochchip am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT entwickelt hat. Das Problem: Die Anzahl der Farben für die Markierung ist begrenzt. »Irgendwann überlappen sie sich und man kann sie nicht mehr voneinander unterscheiden. Außerdem gibt es nicht für alle Tumorzellen gute Marker, daher werden sie mit FACS nicht erfasst.« Weiterhin lässt sich beim FACS ein Messergebnis nicht eindeutig einer bestimmten Zelle zuordnen, da der Auffangbehälter Tausende von Zellen enthält.

Zellen werden mit Unterdruck fixiert

»Mit unserem neuen Mikrolochchip lassen sich die Zellen aus der Probe problemlos ›einfangen‹, für eine anschließende Analyse einzeln positionieren und nach der Analyse auch einzeln entnehmen. Denn hier liegen die Zellen geordnet nebeneinander wie auf einem Präsentierteller. Jede Zelle sitzt auf einem Loch, kann aber nicht durchrutschen. Sie wird von einem leichten Unterdruck angesaugt und fixiert«, so Velten.

In einem gerade zu Ende gegangenen Verbundprojekt zur Identifikation zirkulierender Tumorzellen erfolgte die Zellanalyse in zwei Schritten: Zunächst wurden verdächtige Zellen mit Hilfe eines Mikroskops ausgewählt. Dann wurden sie mit der zeitaufwändigeren Methode der Raman-Spektroskopie eingehend untersucht. Dabei werden die Zellen mit dem Licht eines bestimmten Frequenzbereichs bestrahlt; anhand der Streuung lassen sich Tumorzellen sicher identifizieren. Mit dem neuen IBMT-Chip aus Siliziumnitrid ist das kein Problem – mit Chips aus Glas oder Kunststoff unmöglich, da die Materialien die ramanspektroskopische Messung stören.

Chip bietet Platz für 200 000 Zellen

Ein weiterer Vorteil des neuen Mikrolochchips: Er bietet Platz für 200 000 Zellen, die innerhalb von wenigen Minuten auf ihr Loch rutschen. »Nur wenn die Probe groß genug ist, kann man zirkulierende Tumorzellen überhaupt finden, weil sie im Blut in nur sehr kleiner Menge vorkommen. Ältere Chips haben rund 1000 Löcher. Das ist für diese Anwendung zu wenig«, erläutert Velten.

Die Tumorzellen auf dem Chip können mit einer Mikropipette einzeln entnommen und weiter untersucht werden. Denn der Unterdruck ist so gewählt, dass er die Zellen zwar festhält, aber nicht beschädigt. Eine molekularbiologische Analyse kann helfen Hinweise zu finden, warum ein Medikament bei den Tumorzellen gewirkt oder versagt hat.

Für den neuen Mikrolochchip sind auch zahlreiche andere Anwendungen denkbar, beispielsweise als Selektionssystem für Protein-produzierende Zellen, die für die Produktion von Biopharmazeutika wie Insulin notwendig sind. Zudem lassen sich Mikrochips mit exakt definierten Mikroporen als Substrate für In-vitro-Modelle von physiologischen Barrieren wie die Blut-Hirn-Schranke oder die Darmbarriere verwenden. Solche Barrieremodelle sind für die Entwicklung von Medikamenten außerordentlich interessant.

Der nächste Schritt ist es, Partner für die Adaptierung der Technologieplattform an verschiedene Anwendungen zu finden.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Hitzebeständige Kondensatoren – stabil bis 300 Grad

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.05.2017

Hitze gehört zu den schlimmsten Feinden der Elektronik. Sie kann die Funktionalität stören, sie lässt elektronische Bauteile schneller altern und kann diese sogar zerstören. Fraunhofer-Forscher haben einen Kondensator entwickelt, der Temperaturen von bis zu 300 Grad Celsius aushält. Sie nutzen dabei einen neuartigen Materialmix – und einen besonderen 3D-Trick.

Hitze, Staub und Feuchtigkeit schaden elektronischen Bauteilen. Gegen Staub und Feuchtigkeit lassen sich diese gut schützen. Doch die Hitze bleibt ein Problem, denn sie entsteht im Bauteil selbst. Überall, wo Strom fließt, wird auch Hitze generiert. Und nicht immer ist in der elektronischen Komponente genügend Platz, um die Abwärme mit Kühlrippen oder Ventilatoren abzuleiten. Noch schwieriger wird es, wenn das Gerät in einer heißen Umgebung arbeitet, beispielsweise ein Bohrmeißel in der Ölindustrie, der in einigen Tausend Metern Tiefe mit hoher Geschwindigkeit rotiert. Dabei entstehen Temperaturen von bis zu 250 Grad. Hinzu kommt die enorme mechanische Belastung für die elektronischen Komponenten.

Für dieses Problem hat das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS eine Lösung parat. Die Forscher haben einen Kondensator entwickelt, der Temperaturen von bis zu 300 Grad verkraftet. Zum Vergleich: Herkömmliche Elektronik kann nur Temperaturen von bis zu 125 Grad widerstehen.

Kondensatoren speichern Ladungsträger und zählen zu den am häufigsten verwendeten passiven Bauelementen in der Elektronik. Der Aufbau eines Kondensators ist simpel: Zwei leitfähige Platten fungieren als Plus- beziehungsweise Minus-Elektrode, dazwischen liegt eine isolierende Schicht, das sogenannte Dielektrikum. Um die Hitzebeständigkeit zu verbessern, nutzt das Team um Dorothee Dietz, Wissenschaftlerin am Fraunhofer IMS, einen neuartigen Materialmix und einige konstruktive Kniffe.

3D-Trick für mehr Fläche

Bei der Fertigung der leitenden Metallschichten werden winzige Löcher in die Grundfläche geätzt, um die Fläche zu vergrößern. Der 3D-Trick erhöht die Kapazität und ermöglicht es gleichzeitig, ein dickeres Dielektrikum zu verwenden. Eine dickere Schicht wiederum widersteht hohen Temperaturen besser und kann unkontrollierte Leckströme im Kondensator vermindern.

Auch bei der Produktion des isolierenden Dielektrikums gehen die Experten neue Wege. Sie verwenden Tantalpentoxid, eine Verbindung aus dem Metall Tantal und Sauerstoff, sowie Aluminiumoxid. Der Materialmix speichert die Ladungsträger besser als das üblicherweise verwendete Siliziumoxid und bewirkt so einen höheren Kapazitätsbelag des Kondensators. In der Elektrotechnik werden diese besonders leistungsfähigen Materialien deshalb auch als High-k-Dielektrika bezeichnet.

Außerdem verwenden die Fraunhofer-Forscher ein elektrisch hochleitfähiges Silizium sowie das besonders robuste und hitzebeständige Ruthenium. »Mit unserem Materialmix und den konstruktiven Tricks können wir einen Kondensator herstellen, der äußerst robust und hitzebeständig ist, ohne an Leistung zu verlieren«, erklärt Dorothee Dietz.

Extrem präzise: Schichten mit nur einer Atomlage

Doch die Hochtemperatur-Fähigkeit ist nicht der einzige Vorteil der Halbleiter aus dem Fraunhofer-Labor. Hergestellt werden die Kondensatoren nämlich im Metall-Oxid-Halbleiter-Verfahren (MOS). Dabei werden Schichten mit jeweils nur einer Atomlage Dicke verarbeitet (Atomic Layer Deposition). So lässt sich die Gesamtdicke der Schichten exakt einstellen. »Das macht die Produktion sehr flexibel. Der Hersteller kann Bauteile genau nach den Vorgaben des Kunden anfertigen, ohne den Prozessablauf verändern zu müssen«, sagt Dietz.

Das Know-how im Bereich der Hochtemperaturelektronik lässt sich auf viele andere passive oder aktive Bauelemente wie Widerstände, Dioden oder Transistoren anwenden. Die am Fraunhofer IMS etablierte Technologie eignet sich auch für komplette integrierte Schaltungen. Damit kann der Kondensator nicht nur im Bohrmeißel, sondern ebenso in Einspritzanlagen von Motoren oder Flugzeugturbinen verbaut werden – also überall da, wo extrem hitzebeständige und robuste Bauteile gefragt sind.

Externer Link: www.fraunhofer.de