Elektronisches Stethoskop für das Smartphone punktet im Gründerwettbewerb

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 11.10.2019

Ein elektronisches Stethoskops für das Smartphone hat das Gründerteam Sanascope im Starterzentrum der Universität des Saarlandes entwickelt. Mit Hilfe einer Analyse-App kann es Herz- und Lungentöne klassifizieren und krankhafte Töne erkennen, um auch ohne medizinisches Wissen schwerwiegende Krankheiten frühzeitig zu erkennen. Es soll älteren Menschen, Kranken und Pflegebedürftigen mehr Sicherheit geben und auch Arztpraxen, Kliniken und Pflegeheimen als kostengünstige Lösung dienen. Mit dieser Innovation setzte sich das Gründerteam bei dem Luxemburger Pitch „Fit 4 Start“ gegen 291 internationale Start-ups durch und erhält jetzt ein mehrmonatiges Coaching und 50.000 Euro Preisgeld.

„Sicherheit durch Früherkennung“ lautet der Leitgedanke des Gründerteams, das Menschen über fünfzig, Pflegebedürftigen sowie Familien mit Kindern Hilfe bieten will. „Weltweit verfügen Patienten über zu wenige Hilfsmittel, um ihren eigenen Gesundheitszustand genau einschätzen und entscheiden zu können, ob und wann ein Arztbesuch für sie angebracht ist“, sagt Lukas Weick, der an der Universität des Saarlandes Medizin studiert hat und einer der Gründer von Sanascope ist. Mit schwerwiegenden Folgen würden deshalb Krankheiten wie Lungenentzündungen und Vorhofflimmern häufig zu spät erkannt. Der Gründer weiß, wovon er redet, verschaffte er sich doch bereits während seines Medizinstudiums durch Praktika in Deutschland, der Schweiz, Kenia, dem Libanon und Chile einen Einblick in die spezifischen Bedingungen der Gesundheitssysteme weltweit.

Elektronisches Stethoskop für den Hausgebrauch

Das elektronische Stethoskop Sanascope kann, gekoppelt an ein Smartphone mit einer Analyse-App, Herz- und Lungentöne bestimmen und krankhafte Töne erkennen. Dem Nutzer wird über die App genau anzeigt, wo das Stethoskop positioniert werden muss, um die Herz- und Lungentöne korrekt zu erfassen. Mittels eines neuronalen Netzes werden diese anschließend analysiert. Falls dabei Anzeichen einer Krankheit zu erkennen sind, rät die App dem Nutzer zu einem Arztbesuch. Insbesondere die ländliche medizinische Versorgung könnte so entscheidend verbessert werden, betonen die Mitglieder des Gründer-Teams. Dieses besteht aus zwei Medizinern, vier Informatikern, einem Betriebswirt, einem Designer und einem Produktmanager. Im April dieses Jahres haben sie mit ihrer Gründungsidee bereits die Jury des Bundesprogrammes EXIST überzeugt, so dass deren Umsetzung durch ein EXIST-Gründerstipendium finanziell unterstützt wird und sie von einem Coaching der Kontaktstelle für Wissens- und Technologietransfer der Saar-Universität (KWT) profitieren.

Der entscheidende Durchbruch gelang dem jungen Team jetzt beim Luxemburger Pitch „Fit 4 Start“, bei dem sie zu den 20 Siegerfirmen gehörten, die aus 291 internationalen Start-ups ausgewählt wurden. Deren Markteintritt wird nun durch das luxemburgische Wirtschaftsministerium mit einem 16-wöchigen Coaching sowie 50.000 Euro unterstützt. Zuvor hatte das Sanascope-Team auf einschlägigen Pitch-Veranstaltungen wie der Pitch-Competition „SWSaar meets SWLuxembourg“ auf sich aufmerksam gemacht, wo sich das Gründer-Team neben Platz drei auch den Crowd’s Favorite Award sichern konnte. Überzeugt hatte die kostengünstige Innovation zudem beim Healthcare Hackathon „Gesundheit neu denken“ in Berlin.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Eine neue Strategie für die Synthese komplexer Naturstoffe

Medienmitteilung der Universität Basel vom 09.10.2019

Chemiker der Universität Basel haben erfolgreich zwei komplexe Naturstoffe aus der Klasse der sogenannten Dithioketopiperazine (DTPs) hergestellt. Ihre kurze Syntheseroute basiert im Schlüsselschritt auf der Methode der «C-H-Aktivierung». Auf diesem Weg konnten die beiden Naturstoffe Epicoccin G und Rostratin A in hohen Ausbeuten erzeugt werden, wie die Forschenden in der Fachzeitschrift «Journal of the American Chemical Society» berichten.

Bestimmte Mikroorganismen wie Pilze sind reiche Quellen von Sekundärmetaboliten, die ein grosses Potenzial für medizinische Anwendungen besitzen. Von besonderem Interesse sind hierbei die Dithioketopiperazine (DTPs), die eine Vielzahl biologischer Aktivitäten aufweisen und als Wirkstoffe gegen Malaria oder Krebs eingesetzt werden könnten. Trotz intensiver Bemühungen sind bislang jedoch nur relativ wenige Totalsynthesen von Molekülen dieser Art bekannt, sodass es schwierig bleibt, ausreichende Mengen dieser Verbindungen für weitergehende Untersuchungen zu gewinnen.

Professor Dr. Olivier Baudoin und Erstautor Pierre Thesmar vom Departement Chemie der Universität Basel ist es nun gelungen, eine effiziente und skalierbare Syntheseroute für beide komplexen Naturstoffe zu entwickeln.

C-H-Aktivierung als neue Synthesestrategie

Bei der neuen Strategie zum Aufbau des Ringsystems der Zielverbindungen kam unter anderem die Methode der «C-H-Aktivierung» zur Anwendung, welche sich in den letzten Jahren als wertvolles Synthesewerkzeug etabliert hat. Im Schlüsselschritt werden durch eine zweifache Reaktion, bei denen jeweils eine Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung (C-H) aufgebrochen und eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung (C-C) neu geknüpft wird, zwei Ringe simultan gebildet. Dieser Syntheseweg ermöglicht einen effizienten Zugang zu einem gemeinsamen Zwischenprodukt im Multigramm-Massstab, ausgehend von kostengünstigen und kommerziell verfügbaren Ausgangsstoffen.

In sieben weiteren Schritten wurde dieses Intermediat dann zum DTP-Naturstoff Epicoccin G umgesetzt. Im Vergleich zur einzigen anderen bislang veröffentlichten Synthese brauchten die Basler Forschenden nur 14 statt 17 einzelne Schritte bei einer Gesamtausbeute von 19,6% statt 1,5%.

Die nächste Herausforderung: Rostratin A

Nach der erfolgreichen Synthese von Epicoccin G wagte sich das Basler Forscherteam an die erstmalige Synthese von Rostratin A. Dieser verwandte DTP-Naturstoff besitzt einige herausfordernde Strukturelemente, für die die Endphase der Synthese grundsätzlich angepasst werden musste. Nach umfangreichen Vorversuchen und der Optimierung eines jeden einzelnen Syntheseschritts konnte Rostratin A in der aussergewöhnlichen Menge von mehr als 500 Milligramm hergestellt werden. Diese Totalsynthese gelang in 17 Syntheseschritten und in sehr hoher Gesamtausbeute von 12,7%.

Die neue Synthesestrategie offenbart das grosse Potential der C-H-Aktivierung als effiziente Methode in der Naturstoff-Totalsynthese. In einem nächsten Schritt möchten die Forschenden weitere Naturstoffe und deren Analoga aus der Klasse der DTPs herstellen, um weitergehende Studien zur Untersuchung ihres medizinischen Potentials durchführen zu können.

Originalarbeit:
Pierre Thesmar, Olivier Baudoin
Efficient and divergent total synthesis of (–)-epicoccin G and (–)-rostratin A enabled by double C(sp3)–H activation
Journal of the American Chemical Society (2019), doi: 10.1021/jacs.9b09359

Externer Link: www.unibas.ch

Herz aus dem Computer unterstützt Mediziner

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 24.09.2019

Personalisierte Computermodelle des Herzens bereiten den Weg zu maßgeschneiderten Therapien – Risiko für Herzrhythmusstörungen wie Vorhofflattern lässt sich nun individuell abschätzen

Digitale Simulationen von menschlichen Organen ermöglichen, die Entstehung von Krankheiten zu erforschen und Therapien für Patienten maßzuschneidern. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickeln Forscher realitätsnahe Computermodelle des Herzens auf mehreren Ebenen: vom Ionenkanal über Zellen und Gewebe bis zum ganzen Organ. Sie simulieren grundlegende physiologische und pathologische Prozesse, entwickeln aber auch personalisierte Modelle, um das Risiko von Herzrhythmusstörungen, beispielsweise Vorhofflattern, und die Wirkung von Therapien individuell abzuschätzen, wie sie in einem Fachmagazin berichten.

Wie hoch das Risiko eines Patienten ist, atypisches Vorhofflattern zu entwickeln, ließ sich bisher nicht zuverlässig untersuchen. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie, der Medizinischen Klinik IV des Städtischen Klinikums Karlsruhe sowie der Medizinischen Fakultät der Universität Freiburg und des Universitäts-Herzzentrums Freiburg – Bad Krozingen haben nun eine Methode entwickelt, das Risiko für Vorhofflattern individuell abzuschätzen: Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift Frontiers in Physiology berichten, ermöglichen personalisierte Computermodelle, sämtliche Pfade zu identifizieren, entlang derer die atypischen, kreisende elektrischen Erregungen auftreten können. „Unsere Modelle beziehen anatomische, elektrophysiologische und pharmakologische Kriterien ein“, erklärt Dr. Axel Loewe, Leiter der Arbeitsgruppe Herzmodellierung am Institut für Biomedizinische Technik des KIT. Auch die Wirkung von Therapien wie Katheterablation oder Medikamenten lässt sich so vorab individuell einschätzen.

Die Arbeit demonstriert die Vorteile mathematisch simulierter Organe für die Medizin: „Computermodelle bieten eine perfekt kontrollierbare Umgebung für Experimente“, erklärt Loewe. „So lassen sich einzelne Änderungen simulieren und ihre Folgen für das Gesamtsystem berechnen.“ Die Modelle ergänzen klassische Methoden wie Zell- und Tierexperimente und ermöglichen, neue Therapien ohne Risiko für den Menschen zu testen.

Loewe simulierte bereits in seiner Dissertation die Ursachen von Vorhofflimmern mit dem Computer. Die von Loewe geleitete Arbeitsgruppe Herzmodellierung des KIT entwickelt wirklichkeitsnahe Modelle des Herzens auf allen Ebenen vom Ionenkanal über Zellen und Gewebe bis zum kompletten Organ. So können sie simulieren, wie eine elektrische Erregung entsteht, sich über die Vorhöfe und das gesamte Herz ausbreitet und – bei einem gesund schlagenden Herzen – erlischt oder aber – im Fall bestimmter Herzrhythmusstörungen – sich dauerhaft selbst erhält.

Neben der Simulation solch grundlegender physiologischer und pathologischer Prozesse befasst sich die Arbeitsgruppe auch mit personalisierten Modellen, um das Risiko von Erkrankungen und die Wirkung von Behandlungen individuell zu bestimmen. Um die persönliche Anatomie, wie Größe und Form der Vorhöfe, eines Patienten zu erfassen, nutzen die Forscher bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomografie. Bei der Einbeziehung der per Elektrokardiogramm (EKG) aufgezeichneten elektrischen Aktivität des Herzens arbeitet die Gruppe eng mit der ebenfalls am Institut für Biomedizinische Technik des KIT angesiedelten Arbeitsgruppe Bioelektrische Signale unter Leitung von Professor Olaf Dössel zusammen. Die Arbeiten, die sich zwischen Ingenieurwissenschaften, Informatik, Naturwissenschaften und Medizin bewegen, bereiten den Weg zu maßgeschneiderten Therapien.

Beim Vorhofflattern handelt es sich um eine Herzrhythmusstörung, bei der ungewöhnlich schnelle elektrische Erregungsmuster die Vorhöfe zu raschen Kontraktionen veranlassen. Anders als beim häufigeren Vorhofflimmern verläuft die elektrische Erregung beim Vorhofflattern koordiniert. Aber wie das Vorhofflimmern führt das Vorhofflattern zu Herzrasen, Atemnot und Schwäche; auch ist das Schlaganfallrisiko erhöht. Eine typische Behandlung des Flimmerns ist die Ablation, das heißt eine kathetergestützte Verödung krankhafter elektrischer Erregungsherde im Herzmuskelgewebe. Häufig entwickeln Patienten nach der Behandlung jedoch ein sogenanntes atypisches Vorhofflattern, bei dem eine kreisende Erregung sowohl im linken als auch im rechten Vorhof auftreten kann. (or)

Originalpublikation:
Axel Loewe, Emanuel Poremba, Tobias Oesterlein, Armin Luik, Claus Schmitt, Gunnar Seemann and Olaf Dössel: Patient-Specific Identification of Atrial Flutter Vulnerability – A Computational Approach to Reveal Latent Reentry Pathways. Frontiers in Physiology, 2019. DOI: 10.3389/fphys.2018.01910

Externer Link: www.kit.edu

Elastische Nano-Schichten für bessere Li-Ionen-Akkus

Presseaussendung der TU Wien vom 23.09.2019

An der TU Wien wurde eine Messmethode entwickelt, durch die es nun möglich werden soll, die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Akkus deutlich zu vergrößern.

Sie liefern Energie für unsere Elektroautos, für unsere Handys und Laptops: Mit Lithium-Ionen-Akkus haben wir Tag für Tag zu tun. Es gibt interessante Ideen aus der Materialforschung, mit denen man die Energiespeicher-Kapazität dieser Akkus deutlich erhöhen könnte, etwa indem man die bisher in den Akkus eingebaute Graphit durch Silizium ersetzt. Allerdings muss dafür eine ultradünne Grenzschicht rund um die Elektroden genau analysiert und optimiert werden, und dafür gab es bisher keine passenden Untersuchungsmethoden.

An der TU Wien wurde nun in Zusammenarbeit mit der Universität Hasselt in Belgien eine Technik entwickelt, mit der man die physikalischen Eigenschaften dieser Schichten genau vermessen kann. Ein Kraftmikroskop übt eine genau definierte Kraft aus, gleichzeitig wird mit Hilfe von Lichtwellen exakt registriert, wie sehr sich das Material infolgedessen verformt. Damit wird es nun möglich, nach passenden Elektrolyten zu suchen, mit denen man die Kapazität von Li-Ionen Akkus deutlich verbessern könnte – theoretisch bis zu einem Faktor sechs.

Wie viele Ionen haben Platz?

„Der Lithium-Ionen-Akku ist eine Erfolgsgeschichte“, ist Prof. Markus Valtiner vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien überzeugt. „Aber egal wie gut ein Akku ist, man wünscht sich immer einen noch besseren. Um der e-Mobilität zum Durchbruch zu verhelfen wollen wir natürlich das theoretische Maximum erreichen.“

In einem voll aufgeladenen Lithium-Ionen-Akku werden die Lithium-Ionen derzeit in Graphit gespeichert um dort Elektronen zu stabilisieren. Während der Akku aufgeladen wird, wandern mehr und mehr Lithium-Ionen und Elektronen in den Graphit und speichern so elektrische Energie.

Im Graphit bilden jeweils sechs Kohlenstoff-Atome einen Ring, in dessen Mitte ein Elektron und ein Lithium-Ion festgehalten werden kann. Das ist aber nicht die effizienteste Art, Elektronen durch Lithium-Ionen zu stabilisieren. „Kleine Silizium-Kristalle wären eigentlich besser geeignet“, sagt Markus Valtiner. „Pro Silizium-Atom könnte man ein Lithium-Ion speichern, damit ließe sich die Speicherkapazität theoretisch auf das Sechsfache steigern.“

Das Problem daran ist: Im Gegensatz zu Graphit werden Silizium-Körnchen in einer Batterie bei der Lithiumaufnahme bis zu viermal größer und können dabei einfach zerbröseln. Man könnte sich damit helfen, das Silizium nicht vollständig zu laden, oder durch ausgeklügelte Nanostrukturen stabilere Partikel herzustellen – wenn man dabei nicht noch auf eine weitere Schwierigkeit stoßen würde. Die Elektroden-Körnchen in der Batterie sind nämlich auch noch mit einer nanometerdünnen Schicht umhüllt.

In einem Lithiumionen Akku sind die Materialien in ständigem Kontakt mit dem flüssigen Elektrolyten, in dem beim Lade- und beim Entladevorgang komplexe chemische Abbaureaktionen ablaufen. Und so bildet sich an der Oberfläche der Elektroden immer ein dünner Film aus ionenleitfähigen Abbauprodukten. Auf Graphit ist diese Schicht – ähnlich einer Passivschicht auf Edelstahl – nach wenigen Ladezyklen stabil und wächst nicht mehr weiter. Doch wenn man Silizium-Körnchen verwendet, die ihr Volumen drastisch vergrößern, reißt diese dünne Grenzschicht immer wieder auf, an den Rissen bildet sich eine neue Schicht. Damit wird bei jedem Ladezyklus ein bisschen Elektrolyt aufgebraucht, und das führt zu einer kurzen Lebensdauer des Akkus.

Bessere Elektrolyte für elastische Grenzschichten

„Optimal wäre eine elastische Grenzschicht, die keine Risse bekommt, wenn das Silizium-Körnchen wächst“, sagt Markus Valtiner. Erreichen könnte man das durch die Entwicklung spezieller Elektrolyte die diese Schicht elastisch machen – und dafür wurde an der TU Wien nun das passende Messgerät entwickelt. In einem speziellen Rasterkraftmikroskop kann man nun die elastischen Eigenschaften der Grenzschicht genau analysieren – insbesondere während des Auf- und Entladens. Eine spezielle Konstruktion erlaubt es, Wachstum und Elastizität der Grenzschicht auf winziger Größenskala zu vermessen, während eine Kraft auf sie ausgeübt wird. Damit will das Team von Markus Valtiner nun in Zusammenarbeit mit Frank Renner aus Hasselt (Belgien) unterschiedliche Material-Varianten untersuchen und passende Elektrolyten für Silizium-basierte Lithium-Ionen-Akkus finden.

„Die Forschung auf diesem Gebiet ist derzeit extrem spannend“, sagt Valtiner. „An manchen Technologien, etwa an Verbrennungsmotoren, kann man kaum noch etwas verbessern, weil sie bereits seit Jahrzehnten optimiert werden. Doch bei Lithium-Ionen-Akkus gibt es noch großes Potenzial.“ Eine Steigerung der Batteriekapazitäten um das Doppelte hält Markus Valtiner jedenfalls für realistisch. Erste Ergebnisse zeigen schon heute, dass mit siliziumbasierten Akkus um 15-50% höhere Speicherdichten erreicht werden können, und erste Markteinführungen dieser Technologie sind in den nächsten 3-5 Jahren zu erwarten. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
B. Moeremans et al., In Situ Mechanical Analysis of the Nanoscopic Solid Electrolyte Interphase on Anodes of Li‐Ion Batteries, Advanced Science 6, 1900190 (2019).

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Digitalisierung der Bauindustrie: Schweizer Unternehmen vermarktet Prüfsoftware

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 04.09.2019

Eine Softwareentwicklung von Wissenschaftlern der Universität Kassel wird jetzt vom Schweizer Unternehmen Proceq SA für digitale Anwendungen weiterentwickelt und vermarktet. Proceq gilt als eines der führenden Technologieunternehmen im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung. Mit der Software InterSAFT können Ultraschallmessungen in hochauflösende Grafiken umgewandelt und ausgewertet werden.

„Dass Proceq und Tectus Dreamlab unsere Software in Zukunft weltweit Prüfingenieuren in der Qualitätsabnahme und Anlagenwartung zur Verfügung stellt, ist ein wunderbares Beispiel für gelungenen Technologietransfer“, erläutert Prof. Dr. Bernd Witzigmann, Fachgebietsleiter Computational Electronics and Photonics an der Universität Kassel, dessen Arbeitsgruppe die Software entwickelt hat. InterSAFT ist ein Softwarepaket, das hochauflösende grafische Darstellungen und Analysen aus Ultraschall-Messdaten generieren kann, wie sie in der zerstörungsfreien Prüfung von Anlagen und Bauwerken anfallen. Unter Wissenschaftlern und Spezialisten genießt InterSAFT bereits jetzt große Anerkennung.

Proceq und die Tectus Group stellen die Kasseler Technologie nun ihren Kunden weltweit zur Verfügung und entwickeln sie innerhalb der digitalen Asset Management Plattform „Eagle“ weiter, teilt die Firma mit. „Wir haben ein Unternehmen als Partner gefunden, das das technologische Know-How und die Marketingexpertise hat, InterSAFT für die Zukunft aufzustellen und zu erweitern und in den internationalen Markt einzuführen. Damit wird es möglich, wissenschaftliche Spitzenforschung, die von meinem Vorgänger Prof. Dr. em. Karl-Jörg Langenberg initiiert wurde, zur Anwendung und Weiterentwicklung zu führen und damit vielen neuen Nutzern zugänglich zu machen“, sagt Prof. Witzigmann.

Dr. Ralph Mennicke, CEO von Proceq SA ergänzt: „Mit InterSAFT haben wir eine Softwareentwicklung akquiriert, die für alle Anwender von Ultraschall-Prüfverfahren in Zukunft äußerst nützlich sein wird. Wir verhelfen damit Spitzen-Technologie aus der Universität zum Durchbruch und zu einer langfristigen Zukunft, um Anwender weltweit produktiver, präziser und zukünftig auch komplett digital arbeiten zu lassen. Die Akquisition dieser wichtigen Software ist ein sehr gutes Beispiel, wie wir unsere Firmenstrategie nachhaltig umsetzen.“

Marcel Poster, Proceq Executive Chairman und CEO der Tectus Group, ergänzt: „Wir investieren hier in unsere Vorstellungen einer ganzheitlichen Bauwerksinspektion, die intelligente Softwarelösungen und umfassende Sensortechnologie verbindet. Ich freue mich, dass wir die wissenschaftlichen Ergebnisse der Universität Kassel zukünftig umfassend nutzen können.“

Externer Link: www.uni-kassel.de