Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mit Elektronenstrahlen Keime abtöten

01.09.2016

Medizinprodukte, Verpackungen und Lebensmittel lassen sich sicher und effizient durch Elektronenstrahlen sterilisieren. Fraunhofer-Forscher wollen künftig mit beschleunigten Elektronen auch Gewebetransplantate von Keimen befreien und zudem die Eigenschaften des biologischen Materials verändern.

Medizinische Kanülen, Einwegspritzen und Dialyseschläuche, aber auch pharmazeutische Verpackungen müssen keimfrei sein. Die Sterilisation per Elektronenstrahl ist ein bewährtes Verfahren, um Bakterien, Viren, Pilze, Sporen und Co. abzutöten. Das geschieht durch beschleunigte, energiereiche Elektronen, die in das Material eindringen.


© Foto Fraunhofer FEP

Humane Fibroblasten-Zellkultur, ausgesät auf einem Schweineherzbeutel, der mit Glutaraldehyd chemisch vernetzt wurde. Die Zellen reagieren auf Reste der toxischen Chemikalie, indem nur wenige von ihnen anwachsen.


© Foto Fraunhofer FEP

Humane Fibroblasten-Zellkultur, ausgesät auf einem Schweineherzbeutel, der per Elektronenstrahl vernetzt wurde. Auf dem zytokompatiblen Herzbeutel wachsen mehr Zellen an und vermehren sich dort.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP in Dresden wenden diese Methode erfolgreich an, beispielsweise um Saatgut von Schaderregern zu befreien. Innerhalb von Millisekunden wird die DNA der Schädlinge zerstört und damit die Vermehrungsfähigkeit ausgeschaltet (siehe Link unten).

Jetzt übertragen die Wissenschaftler ihre Expertise auf neue Anwendungsbereiche: Sie untersuchen die Möglichkeiten der nichtthermischen Elektronenstrahltechnologie zum Sterilisieren und Modifizieren von biologischem Gewebe. Damit lassen sich neue Behandlungsmöglichkeiten im medizinischen Bereich erschließen.

»Wir behandeln Gewebeproben unter Atmosphärendruck und bei Temperaturen unter 40 Grad Celsius mit Elektronen, die nur gerade so viel beschleunigt werden, dass sie in das Material eindringen können. Das nennt man Niederenergie-Elektronenstrahlbehandlung«, erläutert Dr. Jessy Schönfelder, Leiterin der Arbeitsgruppe Medizinische Applikationen am FEP.

Die Vorteile dieser materialschonenden Methode: Das Gewebe heizt sich nicht auf, Zellen bleiben intakt – die Wirktiefe kann angepasst und so nur die äußere Oberflächenschicht sterilisiert werden. Mit der REAMODE (Reaktive Modifizierung mit Elektronen) nutzen die Wissenschaftler am FEP eine Forschungsanlage, die sich für verschiedenste Anwendungen der Niederenergie-Elektronenstrahltechnologie anpassen lässt. Parameter wie Eindringtiefe und Intensität lassen sich gezielt bestimmen.

Gewebe mit beschleunigten Elektronen vernetzen

Mit beschleunigten Elektronen können die Forscher auch Materialeigenschaften gezielt beeinflussen und Veränderungen im Gewebe bewirken. Für ihre Versuche wählten sie als biologisches Modell den Schweineherzbeutel. Mediziner nutzen dieses Gewebe als biologischen Herzklappenersatz. Allerdings halten die Implantate maximal 15 Jahre. Der Grund: Die für eine notwendige Vernetzung des Gewebes verwendete Chemikalie Glutaraldehyd bewirkt mittelfristig auch eine Verkalkung der biologischen Implantate.

»Beschleunigte Elektronen sind hier durch ihre Eigenschaft, chemische Bindungen zu spalten und Quervernetzungen zu ermöglichen, eine interessante Alternative«, erklärt Schönfelder. In ihren Versuchen konnten die Forscherin und ihr Team eine Quervernetzung von Kollagenmolekülen, sprich Proteinketten, nachweisen.

Um die Zellverträglichkeit der Elektronenstrahlsterilisation nachzuweisen, säten die Forscher auf unterschiedlichen Proben Zellkulturen aus. Auf dem mit dem toxischen Glutaraldehyd behandelten Gewebe wuchs nur ein geringer Anteil der Zellen an. Auf dem per Elektronenstrahl modifizierten Pendant hingegen wuchsen im Vergleich deutlich mehr Zellen und konnten sich vermehren. Auf unbehandelten Proben siedelten sich im Vergleich sogar weniger Zellen an als auf den mit Elektronen behandelten Proben.

Zellfunktionen bleiben erhalten

Auch Tests mit biologischen Gefäßprothesen – hierfür verwendeten die Experten Aorten vom Tiermodell – waren erfolgreich. »Bei Patienten mit Blutgefäßerkrankungen ist der Ersatz der Gefäße durch synthetische Prothesen aus Polymeren unvermeidbar. Diese sind aufgrund der Thrombosegefahr auf Durchmesser ab sechs Millimeter beschränkt. Bei Gefäßdurchmessern, die kleiner als sechs Millimeter sind, müssen biologische Implantate verwendet werden«, sagt Schönfelder.

Ein Problem ist deren Sterilisation. Die Muskel- und Endothelzellen in den inneren Schichten der Blutgefäße dürfen nicht geschädigt werden. Da die Forscher mit ihrer Anlage die optimale Eindringtiefe der Elektronen in die Gefäßwand festlegen können und nur die äußere Schicht der Aorta sterilisieren, behalten die Zellen ihre Funktionalität. Die Eindringtiefe bei den Tests betrug 23 Mikrometer und liegt damit im Bereich der äußersten Bindegewebsschicht.

»Bei einer Strahlendosis von 22 Kilogray (kGy) wurden die Gefäßfunktionen nicht beeinträchtigt. Gleichzeitig wurden die auf die Probe aufgebrachten Bakterien sicher und innerhalb weniger Sekunden abgetötet«, bestätigt die Chemikerin. Die niedrige Beschleunigungsenergie ermöglicht kompakte Bauformen der Geräte für die Elektronenbehandlung. Durch die gleichzeitig hohe Behandlungsgeschwindigkeit ist die Methode für den Einsatz in einer Gewebebank oder im Operationssaal prädestiniert. Nun wollen die Experten den Prozess optimieren und im nächsten Schritt ein auf das Verfahren angepasstes Sterilisationsgerät bauen.

Weitere Informationen:

https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2016/september/mit-elekt...

Annett Arnold | Fraunhofer Forschung Kompakt

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neuer Abwehrmechanismus gegen Sauerstoffradikale entdeckt
18.06.2018 | Universität Bern

nachricht Umwandlung von nicht-neuronalen Zellen in Nervenzellen
18.06.2018 | Universitätsmedizin der Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Im Focus: First real-time test of Li-Fi utilization for the industrial Internet of Things

The BMBF-funded OWICELLS project was successfully completed with a final presentation at the BMW plant in Munich. The presentation demonstrated a Li-Fi communication with a mobile robot, while the robot carried out usual production processes (welding, moving and testing parts) in a 5x5m² production cell. The robust, optical wireless transmission is based on spatial diversity; in other words, data is sent and received simultaneously by several LEDs and several photodiodes. The system can transmit data at more than 100 Mbit/s and five milliseconds latency.

Modern production technologies in the automobile industry must become more flexible in order to fulfil individual customer requirements.

Im Focus: ALMA entdeckt Trio von Baby-Planeten rund um neugeborenen Stern

Neuartige Technik, um die jüngsten Planeten in unserer Galaxis zu finden

Zwei unabhängige Astronomenteams haben mit ALMA überzeugende Belege dafür gefunden, dass sich drei junge Planeten im Orbit um den Säuglingsstern HD 163296...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Simulierter Eingriff am virtuellen Herzen

18.06.2018 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz – Schafft der Mensch seine Arbeit ab?

15.06.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Asteroidenforschung in Garching

13.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neuer Abwehrmechanismus gegen Sauerstoffradikale entdeckt

18.06.2018 | Biowissenschaften Chemie

Umwandlung von nicht-neuronalen Zellen in Nervenzellen

18.06.2018 | Biowissenschaften Chemie

Im Fußballfieber: Rittal Cup verspricht Spannung und Spaß

18.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics