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.

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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.

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Kaltes Plasma: Mit dem Disc-Jet durchstarten

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 03.04.2017

Im Zentrum von Sternen findet man Plasmen häufig – auf der Erde kommen die elektrisch geladenen Gasgemische nur selten vor, zum Beispiel in Blitzentladungen oder Polarlichtern. Man kann jedoch mit großer Hitze oder hohen elektrischen Spannungen nachhelfen. Fraunhofer-Forscher haben kalte Plasmen erzeugt und sie für die Oberflächenbehandlung temperaturempfindlicher Materialien genutzt. Dank einer neuartigen Technik waren dabei Vertiefungen oder Hinterschneidungen kein Problem mehr – der Disc-Jet kommt überall hin.

Plasmen werden in der Industrie schon lange eingesetzt, um Oberflächen zu reinigen oder so zu bearbeiten, dass Materialien wie Lacke oder Klebstoffe besser darauf halten. Der Vorteil: Auf die chemische Vorbehandlung mit Lösungsmitteln oder anderen Stoffen kann verzichtet werden. Das spart Geld und ist umweltfreundlich. Das Problem: Bisher konnten nur ebene Flächen behandelt werden, über Vertiefungen, Hohlräume oder Hinterschneidungen glitt das Plasma einfach hinweg. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST haben jetzt zwei Plasmaverfahren, den Plasmajet und die Gleitentladung, miteinander kombiniert, um auch dreidimensionale Bauteile effektiv bearbeiteten zu können.

Optimal für die Behandlung von Kunststoffen oder Holz

»Im Inneren des Plasmajets, der im Wesentlichen aus einer Elektrode und einer Düse besteht, wird ein kaltes Plasma mit Hilfe von Wechselspannung erzeugt«, erklärt Martin Bellmann, Ingenieur im Anwendungszentrum für Plasma und Photonik des Fraunhofer IST. Je nach Bedarf kommen unterschiedliche Gase oder Gasgemische zum Einsatz. Die hohe elektrische Spannung der Elektrode sorgt dafür, dass negativ geladenen Elektronen die Atomhülle verlassen, die größeren, positiv geladenen Ionen bleiben zurück: Das Gas wird leitfähig und damit zum energetischen Plasma. »Weil Plus- und Minuspol der Elektrode ständig wechseln, bewegen sich die Ionen kaum und setzen wenig Energie in Form von Wärme frei, sondern zittern lediglich ein wenig hin und her«, so Bellmann. Die Temperatur lässt sich auf diese Weise niedrig auf 30 bis 60 Grad halten – optimal für die Behandlung von hitzeempfindlichen Materialien wie Kunststoffen oder Holz.

Verfahren erfasst auch Hohlräume, Vertiefungen und Hinterschneidungen

Anschließend werden die freien Elektronen mit einer Düse auf das Bauteil geblasen. Weil die Materialoberfläche nicht leitet, können sie nicht mit ihr reagieren. Daher zünden sie zurück zur Unterseite des Jets. So entstehen zahlreiche kleine Blitze, so genannte Gleitentladungen, die sich konzentrisch um die Düse herum zwischen der Unterseite des Geräts und dem Bauteil flächig ausbreiten. »Die Form dieser Ausbreitung erinnert an eine CD, daher haben wir unsere Entwicklung Disc-Jet getauft.« Das Ergebnis: Eine gleichmäßige Behandlung der kompletten Oberfläche – Vertiefungen, Hohlräume und Hinterschneidungen inklusive.

Plasmastrahl wirkt physikalisch und chemisch

Der Plasmastrahl wirkt nicht nur physikalisch, indem er die Oberfläche leicht aufraut, wodurch aufgetragene Stoffe besser halten, sondern auch chemisch. Denn die instabilen Atome und Moleküle des Plasmas sind hoch reaktiv. Verwendet man zum Beispiel Luft als Plasmagas, so lösen die einzelnen Sauerstoff-Atome Wasserstoff-Atome aus den Kunststoff-Oberflächen heraus und ermöglichen damit eine bessere Anhaftung von Lacken oder Klebstoffen.

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Drahtlose Sensor-Systeme sorgen für Nachschub bei Seife & Co

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.03.2017

Waschräume gehören zu den wartungsintensivsten Räumen in Unternehmen. Eine neue Fraunhofer-Technik sorgt nun dafür, dass der Füllstand von Seifenspendern, Handtuchrollen oder Toilettenpapierhaltern vollautomatisch überwacht und an das Reinigungspersonal gemeldet wird. Im Zentrum des »CWS Washroom Information Service« stehen dabei Sensoren und eine raffinierte Funktechnik.

»In Waschraum 17 im dritten Stock gehen die Handtücher zur Neige, in Waschraum 21 im vierten Stock ist die Seife aufgebraucht und in 26 wird Toilettenpapier knapp.« Mit solchen Informationen schon vorab ausgestattet können Mitarbeiter des Reinigungspersonals in Zukunft ihre Rundgänge besser planen und deutlich effizienter arbeiten. Denn Waschräume gehören zu den wartungsintensivsten Räumen in Gebäuden. Neben der Reinigung müssen Seife, Handtücher und Toilettenpapier regelmäßig nachgefüllt werden. Genau dafür hat das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS eine Lösung entwickelt. Gemeinsam mit dem Fullservice-Anbieter CWS-boco International GmbH entstand das System »CWS Washroom Information Service«, das den Wartungsaufwand deutlich reduziert. Federführend ist Prof. Dr. Thomas Wieland, Leiter des Fraunhofer-Anwendungszentrums für Drahtlose Sensorik in Coburg. Neben der Sensortechnik steuern die Fraunhofer-Wissenschaftler auch ein Funksystem zur Weitergabe der Daten bei. CWS-boco ist für das Design der jeweiligen Behälter- und Spendersysteme verantwortlich.

Am Anfang des »CWS Washroom Information Service« (WIS) stehen die Sensoren. Sie sind batteriebetrieben und überwachen jeweils den Füllstand von Seifenspendern, Handtuchrollen und Toilettenpapier. Dabei kommen unterschiedliche Messmethoden zum Einsatz. Beim Seifenspender etwa registriert ein optischer Sensor den Füllstand. Zusätzlich holt sich das Sensormodul die Daten des internen Zählers im Seifenspender, der jede abgegebene Portion registriert. Optische Systeme finden auch beim Toilettenpapier Verwendung, während beim Handtuchspender wieder die Portionszählung greift.

Funknetz konfiguriert sich selbst

Die auf diese Weise erhobenen Daten gehen dann über ein ausgeklügeltes Funksystem auf die Reise. Zunächst wandern sie über das stromsparende Bluetooth 4.0 LE (Low Energy) zur nächstgelegenen »Washroom Control Unit« (WCU). Diese agiert als Sammelstelle und Kommunikationsknoten. WCUs sind im ganzen Gebäude verteilt und untereinander vernetzt. Hier kommt die vom Fraunhofer IIS entwickelte Funktechnik s-net® zum Einsatz. Der Clou dabei: Das Funknetz konfiguriert sich selbst. Jede angeschlossene WCU entscheidet selbst, an welches Gerät sie die Daten weiterschickt. »Sollte ein Modul defekt sein oder aus anderen Gründen nicht angefunkt werden können, schickt die WCU ihre Daten an ein anderes Modul«, erklärt Fraunhofer-Experte Wieland. Störungen in der Funkstrecke oder ein Geräteausfall werden im Funknetz automatisch kompensiert. Wenn alle Daten gesammelt sind, sendet die letzte WCU in der Übertragungskette das gesamte Datenpaket ebenfalls via s-net® an ein Gateway, das meist an der Außenseite des Gebäudes angebracht ist.

Von da werden die Infos über Mobilfunk an den Server von CWS-boco International GmbH weitergeleitet. Eine visuelle Bedienoberfläche zeigt sie individuell für jeden Waschraum-Betreiber an. Der zuständige Schichtleiter kann die Waschraum-Infos als Schichtplan ausdrucken oder an die Tablet-PCs der Mitarbeiter schicken. Eine andere Möglichkeit wäre, dass ein Display im Eingangsbereich des Waschraums darstellt, was jeweils zu tun ist.

Feldtest startet 2017

Die Entwicklung des »CWS Washroom Information Service« ist inzwischen weitgehend abgeschlossen, bereits im ersten Quartal 2017 startet ein stufenweiser Feldtest mit einem Pilotkunden. CWS-boco vermarktet das System. Ein großer Vorteil der Lösung ist ihre Flexibilität. »Wir können neue Geräte mit jeweils eigenen Sensorsystemen integrieren. Vom Seifenspender über den Toilettenpapierspender bis zum Abfallbehälter lässt sich grundsätzlich jedes Produkt mit Sensoren ausstatten und ins System einbinden«, sagt Jens Einsiedler, Head of Business Digitalisation bei CWS-boco International GmbH.

Doch die Fraunhofer-Forscher denken nicht nur an Waschraum-Services. Das Sensorik-gestützte s-net® macht viele Anwendungen denkbar. »Das System ist ideal für alle Bereiche, in denen Sensorik-Daten gesammelt und weitergeleitet werden sollen«, erklärt Wieland. Denn das energieoptimierte s-net® ist wegen der Fähigkeit, sich selbst zu organisieren, nicht nur besonders zuverlässig. Die Sendefrequenz von 868 MHz besitzt gerade in verwinkelten Gebäuden gute Ausbreitungseigenschaften, da sie eine bessere Durchdringung von Wänden gewährleistet.

Die drahtlosen Sensorik-Netze mit dieser und anderen Funktechniken eignen sich beispielsweise in der Landwirtschaft zum Überwachen von Anbauflächen. In Städten könnten Sensorik-Netze die Wasserqualität von Flüssen prüfen. Bei Brücken und anderen Bauwerken kontrollieren Sensoren die Stabilität. Sogar im Bereich Gesundheit eröffnet die Technik neue Möglichkeiten. So ließen sich die Sensoren in Textilien integrieren und dann die Bewegungsabläufe des Patienten in einer Physiotherapie kontrollieren.

Weitere Anwendungen sind im Bereich Industrie 4.0 eine Option. Drahtlose Sensorik ist bestens geeignet, um Produktionsanlagen zu überwachen und den Status von Maschinen oder Werkstücken zu prüfen. Auf dieser Basis liefert das System alle für die Steuerung nötigen Daten. Daneben arbeiten Thomas Wieland und sein Team derzeit noch an einem bodenständigen, aber nicht weniger nützlichen Projekt: eine Füllstandsmessung der Müllbehälter in der Fußgängerzone von Reutlingen.

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Stabile biologische Beschichtung für Implantate

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.11.2016

Die extrazelluläre Matrix (ECM) regelt alle wichtigen Funktionen von Zellen und ist für Wissenschaftler ein interessantes Biomaterial. Fraunhofer-Forscher haben eine ECM entwickelt, die künstliche reaktive Gruppen enthält und auch außerhalb des Körpers das natürliche Verhalten der Zellen fördert. Sie kann deshalb als stabile Beschichtung auf Implantate aufgebracht oder für Zellkulturgefäße und Wundauflagen verwendet werden.

Biologen, Chemiker und Mediziner müssen wissen, wie biologische Reaktionen im Innern des menschlichen Körpers ablaufen. Zum Beispiel um Implantate einzusetzen, neue Wirkstoffe zu entwickeln oder krankes Gewebe zu ersetzen. Eine wichtige Rolle spielt bei den Untersuchungen die extrazelluläre Matrix (ECM). Sie stellt im menschlichen Gewebe die natürliche Umgebung der Zellen dar und erfüllt wichtige Funktionen. Durch ihre gewebetypische Zusammensetzung ist sie das ideale Material für Anwendungen in der Medizintechnik. »Es ist jedoch sehr kompliziert, die Matrix so zu modifizieren, dass sie für unterschiedliche Aufgabenstellungen angepasst werden kann, sich aber trotzdem wie in natürlicher Umgebung verhält«, sagt Dr. Monika Bach aus der Abteilung Grenzflächentechnologie und Materialwissenschaft des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB.

Biologische Beschichtung für die Medizintechnik

Chemiker und Biologen des Stuttgarter Forschungsinstituts haben gemeinsam eine funktionale ECM entwickelt, die auch außerhalb des Körpers das natürliche Verhalten der Zellen fördert und flexibel an biologische oder materialtechnische Aufgabenstellungen angepasst werden kann. »Im Labor haben wir gezeigt: Das Biomaterial erfüllt trotz der eingebrachten künstlichen reaktiven Gruppen seine Funktionen und unterstützt das natürliche Verhalten der Zellen, die mit ihr in Kontakt stehen«, schildert Prof. Dr. Petra Kluger, Leiterin der Abteilung Zell- und Tissue Engineering, den Forschungsstand.

Derzeit suchen die IGB-Forscherinnen und -Forscher Kooperationspartner, um mit Hilfe der patentierten Technologie konkrete Produkte zu entwickeln: Zum Beispiel um Implantate zu beschichten, damit sie schneller vom Körper angenommen werden. »Grundsätzlich wäre diese Technologie aber auch interessant, um neue Materialien zu entwickeln, die zur Wund- oder Knochenheilung eingesetzt werden könnten«, sagt Bach. Denkbar wäre zudem eine Beschichtung für Zellkulturgefäße im Labor. Sie liefert den jeweiligen Zellen eine ideale Umgebung, sodass diese während der Kultivierung ihr natürliches Wachstumsverhalten zeigen. »Denn Zellen reagieren sehr empfindlich auch auf kleine Veränderungen in ihrer Umgebung«, erklärt Bach.

Chemische Reaktion, die klickt

Um die ECM mit künstlichen chemischen Gruppen auszustatten, nutzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den natürlichen Stoffwechsel der Zellen und lassen sie die chemische Gruppe selbst einbauen. Dazu werden Zellen, die zuvor aus menschlichen Gewebeproben gewonnen wurden, in einer Zellkulturschale mit Zuckermolekülen gefüttert, die im Vergleich zu herkömmlichen Zuckern an einer Stelle eine reaktive Gruppe tragen. Die Zellen nehmen diesen modifizierten Zucker auf und nutzen ihn als Baustein, um andere Moleküle innerhalb der Zelle und in der ECM aufzubauen. »Diese chemische Gruppe kann anschließend in einer selektiven chemischen Reaktion – Click-Reaktion – mit einem passenden Bindungspartner weiter reagieren. Das muss man sich wie bei einem Druckknopf vorstellen: Eine Hälfte, andere Hälfte – Klick!«, schildert Bach den Vorgang. Auf diese Weise kann eine Implantatoberfläche, die die andere Hälfte des Druckknopfs trägt, stabil mit der clickECM beschichtet – und das Einwachsen des Implantats in das umliegende Gewebe deutlich verbessert werden. Der Vorteil des Zusammenklickens: Die selektive chemische Reaktion hat eine hohe Ausbeute, läuft ohne Nebenreaktionen und unter physiologischen Bedingungen ab, ohne in natürliche Prozesse der Zelle einzugreifen.

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