Nanopartikel aus anorganischen Materialien wie Metallen und Halbleitern besitzen spezifische optische, elektrische und magneti­sche Eigenschaften, die auch in der medizinischen Diagnostik vermehrt angewendet werden. Nanopartikel aus Gold etwa können die Fluo­reszenz von Farbstoffmolekülen über große Distanzen beeinflussen. Hierzu bedienen sie sich zweier Effekte. Einmal können sie die Fluoreszenzrate von Farbstoffmolekülen in ihrer Nähe herabsetzen. Dann gelingt es ihnen, die optische Anregung vom Farbstoffmolekül zu übernehmen und in Wärme umzusetzen (Energietransfer). Beides führt zu einer drastischen Unterdrückung der Fluoreszenz des Farbstoffs, die über Distanzen größer als 10 Nanometer wirkt.

In diesem Projekt konnten verschiedene Immunoassays auf der Basis von Fluoreszenzunterdrückung von Farbstoffmolekülen durch Gold-Nanopartikel realisiert werden. Unter einem Immunoassay versteht man Erkennung und Nachweis eines Analyten in einer flüssigen Phase durch die Bindung eines Antigens an einen Antikörper. Für einen Modell-Immunoassay wurde Cardiac Troponin T (TnT) als Vertreter der Proteinanalyten gewählt. TnT ist ein Protein des Herzmuskels, das im Falle einer Zellschädigung in das Blut freigesetzt wird und somit als Analyt für den Nachweis einer Herzschädigung verwendet werden kann.

Die Abbildung zeigt, dass sowohl die Gold-Nanopartikel als auch die Farbstoffmoleküle mit Antikörpern versehen wurden, die jeweils an verschiedenen Stellen des „Herz“-Proteins TnT andocken können. Es konnte im Rahmen dieses Projekts u.a. gezeigt werden, dass die Bildung einer solchen „Sandwich“-Struktur zu einer Fluoreszenzlöschung führt, obwohl Farbstoffmolekül und Gold-Nanopartikel weit voneinander entfernt sind.

Seit einigen Jahren werden hydrophile photokatalytische Beschichtungen auf der Basis von Titandioxid eingesetzt. Aufgabe des photokatalytischen Effekts ist es, die Oberfläche frisch und hydrophil zu halten: Organische Rückstände werden mit Hilfe von UV-Licht zersetzt. Das Wasser bildet dabei keine Tröpfchen, sondern eine dünne Schicht; daher beschlägt die Oberfläche nicht.

Beschichtungen mit dem Halbleiter Titan­dioxid können sich bei hoher UV-Einstrahlung und ausreichendem Wasservorkommen selbst reinigen und sind deshalb z.B. für Glasfassaden gut geeignet. Sie sind jedoch innen nicht verwendbar, da das UV-Licht für eine Photokatalyse nicht ausreicht. Die Zielsetzung des Projekts besteht deshalb in Untersuchungen für eine Beschichtung auf Glas, die ohne UV-Strahlung hydrophil ist, nicht beschlägt und leicht gereinigt werden kann. Gleichzeitig soll die Schicht langzeitstabil, hochtransparent und beständig gegen Reinigungsmittel sein. Diese Eigenschaften sollen durch einen Sol-Gel-Prozess realisiert werden, bei dem aus einem hydrophilen Material Beschichtungen mit definierten Poren erzeugt werden. Im Zusammenhang mit der Porenstruktur wird außerdem eine Aufrauung der Oberfläche erwartet bzw. der Prozess so gesteuert, dass der Einfluss der Rauheit auf den Grad der Hydrophilie gezielt ausgenutzt werden kann. Dazu werden neuartige Simulations- und Analysemethoden erarbeitet.

Durch direkte Verknüpfung von Simulation, Herstellung und Charakterisierung soll ein erheblicher Synergieeffekt erreicht und die Grundlage für eine Prozesskette geschaffen werden.

Das innovative Leberunterstützungssystem der Hepa Wash® GmbH basiert auf Albumindialyse und Albuminrecycling, und wurde seit 2005 in zahlreichen In-vitro-Versuchen etabliert. Das Recycling des teuren Albumins mit einer einfachen chemisch-physikalischen Behandlung hat den Vorteil, die Effizienz durch die Schnelligkeit der Giftentfernung deutlich zu steigern.

Durch das Hepa Wash®-Verfahren können Toxine erstmals adequat aus dem Körper eliminiert werden. Dadurch wird die Mortalität und Morbidität von Patienten mit Leberversagen zukünftig deutlich verbessert werden.

Bevor das Hepa Wash®-Verfahren jedoch in klinischen Studien an Patienten getestet werden kann, müssen Sicherheit und Effizienz des Verfahrens im Tierversuch nachgewiesen werden.

Dafür musste ein geeignetes Tiermodell etabliert und evaluiert werden. Mehrere chirurgische und interventionell-radiologische Verfahren zur Induzierung des akuten Leberversagens wurden am Schwein getestet und auf Tauglichkeit überprüft. Dann wurde ein neues chirurgisches Modell des akuten Leberversagens etabliert, das in Pathogenese und Verlauf den Prozessen bei Patienten mit akutem Leberversagen erheblich besser entspricht als die bislang verwendeten Modelle (siehe linke Abbildung).

Mit diesem Modell wurde die Wirksamkeit der Hepa Wash®-Therapie erprobt. Die Überlebenszeit der Tiere konnte im Gegensatz zur Kontrollgruppe durch Verbesserung der Organfunktion (Gehirn, Herz, Niere) signifikant verlängert werden (siehe rechte Abbildung). Diese Tierstudie ist daher bei renommierten Forschern auf große Anerkennung gestoßen.

Derzeit wird die Hepa Wash®-Behandlung in einem weiteren neu entwickelten Tiermodell getestet. In diesem Modell wird ein akutes Leberversagen bei bereits vorbestehender Leberschädigung induziert, um die Therapiemöglichkeit dieses häufigen Krankheitsbildes durch das Hepa Wash®-Verfahren zu erproben.

LEDs bestehen aus Heteroschichtfolgen – verschiedene Halbleitermaterialen liegen übereinander. Fließt in Durchlassrichtung Strom, leuchtet die LED. Degradations-(Verschlechterungs-) und Ausfallmechanismen solcher LED-Heterostrukturen sind in der Regel mit einer veränderten Durchlassspannung und einem schwächeren Licht verbunden. Das Potenzial verändert sich innerhalb der LED-Struktur nicht über sämtliche Schichten, sondern oft an einer bestimmten Schicht oder bei einem bestimmten Material.

Das Ziel des Projekts war die möglichst genaue Lokalisierung der Degradation in einer quer geschliffenen Probe mit Hilfe von Kelvin-Probe-Force-Microscopy-Messungen (KPFM) an einem Raster-Sonden-Mikroskop.

Der erste Schritt: die Messungen an LED-Heterostrukturen zu verbessern. Dazu wurden Messspitzen verschiedener Hersteller verglichen, die für KPFM geeignet sind und deren Schichtmaterialien sich unterschieden. Daneben wurde eine Probenhalterung entworfen und gefertigt, um die präparierten LED-Strukturen exakt zu befestigen.

In der Probenpräparation wurde die Schleif- und Poliertechnik im Hinblick auf die Oberflächenrauigkeit optimiert. Mehrere Poliermethoden wurden miteinander verglichen. Für die Auswertung der Messdaten wurde eine Software entwickelt, in der die aufgenommenen Kurven schnell und genau miteinander überlagert werden können.

Aufgrund der exakten Lokalisierung der Defekte im Potenzialverlauf kann ihre Ursache nun theoretisch interpretiert werden. So können Gegenmaßnahmen in der Fertigung ergriffen werden. Weiterhin konnten durch zyklische Alterungsversuche und Messungen Materialien identifiziert werden, die diese unerwünschte Degradation verursachen.

Extrem miniaturisierte DNA-Chips bieten parallele DNA-Diagnostik im Nanoformat. Sie stellen eine verheißungsvolle Technologie für einen Routinetest auf hunderte von Organismen, wie etwa bakterielle Krankheitserreger, in einem einzigen Assay dar.

Die eigentlichen diagnostischen Elemente sind dabei kurze DNA-Einzelstränge, die DNA-Sonden. Ein zentrales Problem bei der Entwicklung eines parallelen diagnostischen Assays ist die Zusammenstellung eines Satzes an DNA-Sonden, der beim Einsatz optimale Sensitivität und Spezifität garantiert. In langwierigen Labortests muss der Sondensatz derzeit hinsichtlich seines Nachweisvermögens evaluiert und durch Austausch von ungeeigneten Sonden optimiert werden. Lange Entwicklungszeiten und hohe Entwicklungskosten sind die Folge.

Im Rahmen dieses Projekts soll eine leis­tungsfähige Bioinformatik-Software entwickelt werden, die molekulare Signaturen in großen Genomsequenzdatenbanken aufspürt und je nach diagnostischem Anspruch und individuellem Einsatzbereich optimale DNA-Sondensätze berechnet. Um die riesigen Datenmengen effizient analysieren zu können, müssen intelligente Algorithmen entwickelt und implementiert werden. Dazu kommen die Me­tho­den des parallelen und verteilten Rechnens zum Einsatz. Zudem werden kombinatorische Verfahren entwickelt, die Qualitätseinschätzung und -optimierung ermöglichen.

Diese Bioinformatik-Software wird praxisnah bei der Entwicklung zweier paralleler diagnostischer Assays eingesetzt, iterativ geprüft und weiterentwickelt.

Mit Hilfe umfassenderer Sequenzsuchverfahren und genauerer In-silico-Evaluierung kann ein weitaus größerer Teil der Arbeit als bisher vom Labor auf den Computer verlagert werden. Infolgedessen können präzise­re parallele diagnostische Assays schneller und deutlich billiger entwickelt werden.

Kunststoffe beim Spritzgießen zu schäumen, verbraucht weniger Rohstoffe und senkt das Formteilgewicht und die Fertigungskosten. Aufgrund der hohen spezifischen Biegesteifigkeit von Integralschäumen kann der Einsatz in Automobilen zu deutlich weniger Gewicht führen, was sich direkt positiv auf Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission auswirkt. In der Regel werden bei spritzgegossenen Integralschäumen aber nur sehr geringe Gewichtseinsparungen erreicht. Darüber hinaus sinkt die Oberflächenqualität der geschäumten Formteile durch Silberschlieren.

Das Ziel des Projektes war, die Dichte der spritzgegossenen Formteile bei guter Oberflächenqualität zu senken. Für eine hohe Wirtschaftlichkeit sollten die Formteile in einem einstufigen Spritzgießprozess innerhalb einer vollautomatisierten Fertigungszelle hergestellt werden.

Voraussetzung ist die exakte Kontrolle von Schmelzetemperatur, -druck und Expansions-volumen. Nach Entwicklung von neuartigen Spritzgießwerkzeugen mit schneller Wechseltemperierung wurden die Kunststoffe in einem variothermen Spritzgießprozess geschäumt und die Eigenschaften der Integralschäume optimiert.

Mit variothermen Spritzgießwerkzeugen lassen sich dünnwandige geschäumte Bauteile mit einer Dichte von 150 g/l und hochwertiger Oberflächenqualität herstellen, die bislang durch Spritzgießen nicht produziert werden konnten. Aufgrund der hohen Biegesteifig­keit dieser neuartigen Werkstoffe können bis zu 2/3 Gewicht gegenüber ungeschäumten Kunststoffbauteilen gespart werden.

Die meisten Videokameras auf dem Markt basieren auf CCD-Bildsensoren. Im Low-cost-Consumerbereich wie etwa Mobiltelefonen findet man aber fast nur noch CMOS-Sensoren. Der Grund: CMOS-Bildsensoren werden auf den gleichen Fertigungslinien hergestellt wie Speicher und Prozessoren und profitieren damit von den Technologiefortschritten in diesen Massenmärkten. Die Strukturen werden immer kleiner, was die Sensoren bei höherem Funktionsumfang kleiner und günstiger macht.

In der Bildqualität blieben CMOS-Bildsensoren zurück: Höheres Rauschen, schlechtere Gleichförmigkeit der einzelnen Bildpunkte und ein höherer Dunkelstrom ließen ihre Bilder oft blasser und verwischt aus-

sehen. Aus diesem Grund hinkt ihr Einsatz im Video- und im professionellen Bereich hinterher, obwohl man ihre Vorteile auch dort gerne nützen würde.

Ziel des Projektes war es, CMOS-Bildsensortechnologien zu evaluieren, Bibliothekskomponenten für Sensoren zu entwickeln und mit Testdesigns die Eignung für professionelle Anwendungen nachzuweisen.

Für die Durchführung wurde eine 180-nm-Technologie ausgewählt, die spezielle Erweiterungen für Bildsensoren anbietet. Es wurde eine Reihe von Testchips gebaut, um verschiedene Typen und Formen von Fotodioden, Pixelarchitekturen und Pixelgrößen zu charakterisieren. Die Testchips ermöglichten einen Vergleich unterschiedlicher Imager-Topologien (Bayer-Pattern und Schachbrett) sowie die Evaluierung von Mikrolinsen und Farbmasken.

Basierend auf diesen Ergebnissen wurden verschiedene Testsensoren entwickelt. Mit den Testsensoren konnten gute Kennwerte bei Dunkelstrom und Empfindlichkeit erreicht werden. Durch Mikrolinsen konnte die Lichtempfindlichkeit insbesondere bei kleinen Pixeln gesteigert werden. Basierend auf den entstandenen Bibliothekskomponenten haben im Anschluss an das Projekt Produktentwicklungen begonnen.

In dem interdisziplinären Forschungsprojekt wurde ein neuartiges lokales Klimakomfortmodell entwickelt und in eine interaktive Simulationsumgebung integriert. Ingenieure und Fachplaner können damit komplexe Behaglichkeitsstudien in Innenräumen durchführen und in virtueller Realität zur Laufzeit auswerten. Grund: Die Geometrie des Rechengebietes kann während einer Berechnung verändert werden. Mit der am Höchstleistungsrechner zur Verfügung stehenden Rechenkapazität ist die Simulation solch komplexer Strömungsvorgänge erstmalig in Echtzeit möglich.

Die Technologie ist für zahlreiche Industriezweige interessant. So kann sie etwa zur Vorabsimulation in der Bau-, Fahrzeug- und Flugzeugindustrie eingesetzt werden und dazu beitragen, Entwicklungszyklen zu verkürzen und Planungsfehler zu vermeiden. Ein erster Prototyp demonstrierte am Beispiel der Medizintechnik, wie sich damit Reinräume auslegen lassen.

Um das Behaglichkeitsempfinden zu simulie­ren, wird ein parametrisches Multisegmentmodell eingesetzt. Es bildet den Blutkreislauf, den Stoffwechsel und die Thermoregulationseigenschaften des menschlichen Körpers im Detail ab. In Versuchsreihen am Fraunhofer-Institut für Bauphysik wurde ein Zusammenhang zwischen Hauttemperatur und realem Behaglichkeitsempfinden hergestellt, den die Simulation farblich darstellt.

Die Farbkosten machen im vollfarbigen Digitaldruck einen erheblichen Anteil der gesamten Druckkosten aus. Deshalb ist es wirtschaftlich sinnvoll, bei unveränderter Farbwirkung die Farbschicht zu verdünnen. Eine weitere Verringerung der Partikelgröße der Toner erfordert aber neue Trägersysteme, deren Wechselwirkung mit den Tonerpartikeln bisher weitgehend unbekannt ist.

In diesem Projekt sollen die grundlegenden physikalischen Mechanismen der Wechselwirkungen zwischen dem Toner-Trägersystem und den darin verteilten polymerbasierten Tonerpartikeln charakterisiert und mit konventionellen Systemen verglichen werden. Dazu werden die Aufladungsmechanismen in derartigen Systemen untersucht.

Um den Ladungszustand von Polymerpartikeln zu beschreiben, werden moderne Techniken eingesetzt, etwa die nichtlineare optische Spektroskopie, die elektrostatische Rasterkraftmikroskopie und Methoden zur Charakterisierung des Ladungsverhaltens von Partikeln in Dispersion. Partikelwechselwirkungen werden mit Rasterkraftmikroskopie und über Messungen mit einer optischen Pinzette quantifiziert.

Die experimentellen Resultate gehen in Simulationen von Polymerpartikel-Trägersystemen ein. Dabei werden Partikelwechselwirkungen besonders berücksichtigt. Neben der Reproduzierbarkeit der experimentellen Ergebnisse soll die Simulation der Vorgänge tiefere Einblicke in die Physik des Problems liefern. Paralleles Rechnen und eine hohe numerische Effizienz sind weitere Ziele der Softwareentwicklung in diesem Projekt. Die Ergebnisse werden in die Entwicklung neuer, wirtschaftlicher digitaler Produktionsdrucksysteme einfließen.

Röntgenstrahlung für die medizinische Diagnostik birgt seit ihrer Entdeckung 1895 den Nachteil, dass ihr Wirkungsgrad in der Umsetzung von elektrischer in Röntgenenergie kleiner 1% ist. Die technische Entwicklung der Röntgenröhre war seit jeher auf die Minimierung der Verlustwärme ausgerichtet.

Das Ziel dieses Projektes war, mit Hilfe einer Monte-Carlo-Simulationssoftware die physikalischen Prozesse in einer Röntgenröhre zu analysieren und mit Hilfe dieses detaillierten Verständnisses die Leistungsfähigkeit

zu erhöhen. Dazu musste die Simulationssoftware vorher ausführlich validiert werden. Zu diesem Zweck wurden Simulationsergebnisse mit eigenen Messergebnissen als auch mit Ergebnissen aus der Literatur ver­glichen – die Übereinstimmung war sehr gut. Danach erst konnten die einzelnen Parameter untersucht werden, darunter der Einfallswinkel der Elektronen auf die Röntgenanode, die Primärenergie der Elektronen, verschiedene Schichtdicken als auch Schichtfolgen der Anode und Filtermaterialien. Für einige Parameter konnten geeignete Messungen durchgeführt werden. Mit den neuen Ergebnissen wurden die Vorhersagen der Simulation untermauert. Abschließend konnte anhand der Simulationen ein Potenzial für eine verbesserte Röntgenröhre aufgezeigt werden – dafür wurde eine dünne Anode ver­wen­­det. Dieses Ergebnis trägt deutlich zur Weiterentwicklung als auch zum Verständnis der Röntgentechnik bei.