Publikationen & Referenzen

Laufende Projekte

Zellveränderungen schneller erkennen

In einem kooperativen Forschungsprojekt der Westsächsischen Hochschule Zwickau (WHZ), des Fraunhofer-Anwendungszentrum für Oberflächentechnologien und Optische Messtechnik (AZOM) und des Forschungsinstituts Leder und Kunststoffbahnen (FILK) untersuchen Wissenschaftler, wie Veränderungen in Zellkulturen von Knorpel- und Weichgewebe detektiert werden können.

Ein Ziel des Forschungsprojektes ist die Überwachung von Zellen sowie die Früherkennung von Veränderungen und Zellschäden. Dies ist vor allem wichtig, wenn die Verträglichkeit neuer Medikamente oder Kosmetika untersucht werden soll. In konventionellen Test erfolgt die Detektion der Zellgesundheit mit Hilfe biochemischer Tests, die z. B. die Stoffwechselaktivität der Zellen bestimmen. Das Ergebnis der Wirkung liegt häufig erst nach mehreren Tagen vor. Übergangszustände und Informationen, wann genau erste Schäden auftreten, werden bisher nicht erfasst. Dadurch kann die Wirkung nur anhand des Endergebnisses beurteilt werden. Wenn z.B. ein Medikament zu einem früheren Zeitpunkt in den Zellen eine besondere Reaktion hervorruft, ist das am Ende des Versuchs nicht mehr erkennbar. Neues optisches Messverfahren entwickelt Hier setzt das kooperative Forschungsprojekt an. Für die Untersuchung der Vitalität von Zellen insbesondere bei Knorpel- und Weichgewebe, wurde vom Leupold-Institut für Angewandte Naturwissenschaften der WHZ gemeinsam mit dem Fraunhofer AZOM ein neues optisches Messverfahren entwickelt, das eine Online-Messung der Zellen ermöglicht. Die Basis dafür ist ein "Weißlichtlaser", auch Superkontinuumsquelle genannt. Durch intensive, ultrakurze Pulse ermöglicht dieser eine zerstörungsfreie Analyse von Zellkulturen. Für die Versuche werden primäre, aus Gewebe isolierte Zellen eingesetzt. Diese werden im biologischen Labor des FILK kultiviert und in unterschiedliche Zustände, z. B. durch die Zugabe von Toxinen, versetzt. Für die Auswertung und Erfassung der stofflichen Veränderung sowie Größe und Anzahl der Zellen entwickeln die Wissenschaftler ein automatisiertes optisches Messverfahren. Mithilfe neuer Methoden der Datenanalyse werden die Zellzustände nun mit hoher Empfindlichkeit erfasst. Die Technik ermöglicht eine Analyse dicker, tiefergelegener Zellschichten, was für Untersuchungen an dreidimensionalen Zellkulturen und Geweben bedeutsam ist.

Hintergrund
In der Forschung werden Zellen zur Aufklärung der Mechanismen von Krankheiten untersucht. Dabei werden einzelne Zellen oder deren Bestandteile mit Hilfe von weißem Laserlicht analysiert und nach Strukturmerkmalen differenziert. Umwelteinflüsse wie Gift oder Schadstoffe, die Verabreichung von Medikamenten oder Verwendung von Kosmetika können Veränderungen in unseren Zellen herbeiführen. Eine rechtzeitige Erkennung möglicher Zellschäden ist etwa bei Produkttests in der Pharma- und Kosmetikindustrie hilfreich.

Zerstörungsfreie Bauteilprüfung für LKW-Bremsanlagen

Das Fraunhofer-Anwendungszentrum für Optische Messtechnik und Oberflächentechnologien AZOM und die Westsächsische Hochschule Zwickau (WHZ) entwickeln gemeinsam ein neues Analyseverfahren.

Die zerstörungsfreie Prüfung kann Unfälle und Katastrophen mit Gefährdung von Menschenleben und schweren Sachschäden vermeiden. Für herstellende Unternehmen ist sie ein äußerst effektives Mittel, um schnell eine sichere Aussage über die Qualität ihrer Produkte zu gewinnen. In vielen Bauteilen und Baugruppen haben jedoch Veränderungen der stofflichen Zusammensetzung gravierende Auswirkungen auf deren mechanischen Eigenschaften. Häufig vermindert sich dazu Qualität, Sicherheit und Zuverlässigkeit von Bauteilen. Bei der Bearbeitung metallischer Komponenten unter hohen Temperaturen können sich auftretende stoffliche Veränderungen der Bauteile nachteilig auf die langfristige Materialbeständigkeit auswirken. Sofern das Material nicht herstellungsbegleitend analysiert wird, ist eine nachträgliche Qualitätsprüfung schwer zugänglicher, fest verbauter Bauteile mitunter gar nicht möglich oder mit hohem zeitlichen Aufwand und Kosten verbunden. Hersteller fordern geeignete Analyselösungen, die eine zerstörungsfreie Bauteilprüfung, vor allem in Hohlräumen, mit optimalem Kosten-Nutzen-Verhältnis ermöglichen.

Verfahrensentwicklung zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnähten

Eine Herausforderung stellt die zerstörungsfreie Qualitätsprüfung von Schweißnähten in Luftbehältern für LKW-Bremsanlagen dar (Abb. 1). Oft werden diese zerschnitten oder aufgeblasen, um die Qualität der Schweißnähte zu untersuchen. Wissenschaftler des Fraunhofer AZOM und der Fakultät Physikalische Technik der WHZ arbeiten gemeinsam mit Unternehmen, wie etwa der Lasertechnik Berlin, an einem zerstörungsfreien Verfahren. Die Partner entwickeln ein neuartiges faseroptisches Verfahren für die mobile und minimal-invasive chemische Elementanalyse von schwer zugänglichen technischen Hohlräumen (Abb. 2). Durch die schnelle und quasi-zerstörungsfreie Vor-Ort-Elementanalytik von Bauteilen ist mit einem hohen Zeit- und Kosteneinsparpotential zu rechnen. Ein Zulieferer von Bauteilen für LKW-Bremsanlagen aus dem Erzgebirge hat bereits seine Interessensbekundung für das neue Verfahren abgegeben. Das Forschungsprojekt wird über das Programm „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand ZIM“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie sowie vom Land Sachsen gefördert.

Nachwuchsforscher stellen neue Therapieansätze für Gehörlose vor

In San Francisco haben Nachwuchswissenschaftler der WHZ und des Fraunhofer-Anwendungszentrums für Optische Messtechnik und Oberflächentechnologien AZOM aktuelle Forschungsarbeiten auf dem internationalen Kongress „Photonics West“ vorgestellt.

Die enge Kooperation zwischen der Westsächsischen Hochschule Zwickau (WHZ) und dem Fraunhofer AZOM ermöglicht es u.a. jungen Nachwuchskräften auf weltweiten Veranstaltungen eigene Forschungsarbeiten vorzustellen. Biomedizintechnik-Student Michael Gruner (Bild) nutzte die Chance, seine Arbeit in einem Vortrag vor einem internationalen Fachpublikum zu präsentieren. In seiner Bachelorarbeit arbeitete er an einer Grundlage für die Entwicklung eines alternativen Feedbackmechanismus für Gehörlose. Dieser soll ihnen z.B. durch Vibrationen im Kehlkopf vermitteln, wie laut und in welcher Tonlage sie sprechen.

Seine Messungen führte er an selbstentwickelten 3D-Modellen durch. "Die Messung am Menschen mithilfe eines Lasers ist durch die verschiedenen Gewebeschichten an Hals und Gesicht ungenau und schwierig", erklärt Gruner. Aus MRT-Daten eines Mund-Rachenraums erstellte er ein Modell, welches im 3D-Druck umgesetzt wurde. Für die Messungen platziert Gruner einen Lautsprecher vor der Mundöffnung des Modells. Dadurch entsteht im Rachenraum ein messbares Frequenzspektrum zur Ermittlung von Druck und Vibrationen. Ziel war es, die Orte der stärksten Vibrationen zunächst beim Vokal A herauszufinden.

Inzwischen arbeitet Michael Gruner am Fraunhofer AZOM in Zwickau und entwickelt u.a. auch flexible Modelle für die Messungen verschiedener Frequenzspektren. Interesse an diesem Thema zeigen viele Unikliniken, welche bereits Studien dazu durchführen.

Hintergrund
Die SPIE Photonics West ist der weltgrößte Kongress mit einer Begleitausstellung für Optik und Photonik an der USA-Westküste. Wissenschaftler, Konstrukteure und Lieferanten präsentieren auf dieser Veranstaltung die neuesten Entwicklungen und Techniken der Branche. Die SPIE Photonics West in San Francisco fand Anfang Februar 2020 statt.

Veröffentlichung:
Laser vibrometric characterization and model development of a human vocal tract for acoustic therapy of deaf patients, http://dx.doi.org/10.1117/12.2546955

Aktuelle Publikationen

1. T. Baselt, Ch. Taudt, B. Nelsen, A. F. Lasagni, P. Hartmann, "Development of a method to overcome the power threshold during supercontinuum generation based on an Yb-doped photonic crystal fiber," Opt. Eng. 57(2), 021207 (2018), doi: 10.1117/1.OE.57.2.021207
https://www.spiedigitallibrary.org/journals/Optical-Engineering/volume-57/issue-2/021207/Development-of-a-method-to-overcome-the-power-threshold-during/10.1117/1.OE.57.2.021207.short?SSO=1

2. T. Nemecek, M. Komanec, B.Nelsen, T. Martan, D. Suslov, P. Hartmann, S. Zvanovec, “Experimentally and Analytically Derived Generalized Model for the Detection of Liquids with Suspended-core Optical Fibers”, Optical Fiber Technology, Volume 45, 2018, Pages 295-299.
https://doi.org/10.1016/j.yofte.2018.08.005 

3. Ch. Taudt, B. Nelsen, E. Rossegger, S. Schlögl, E. Koch, P. Hartmann: “Spatially Resolved Cross-Linking Characterization by Imaging Low-Coherence Interferometry”, Sensors 2019, 19(5), 1152; https://doi.org/10.3390/s19051152
http://www.mdpi.com/1424-8220/19/5/1152  

4. T. Baselt, A. Kabardiadi-Virkovski, D. Ruf, B. Nelsen, A. F. Lasagni, and P. Hartmann: "Supercontinuum-based nondisruptive scattering analyses of mouse fibroblast L929 cells before and after necrosis," Journal of Biomedical Optics 23(12), 121619 (19 December 2018).
https://doi.org/10.1117/1.JBO.23.12.121619

Aktuelle Patente

P. Hartmann, A. Karbadiadi, T.Baselt: "Anordnung und Verfahren zur Wellenfrontanalyse", DE 10 2016 201 485, 13.04.2017

Forschungs-Referenzen Prof. Dr. Peter Hartmann

Link zum Forschungsinformationssystem der WHZ mit Informationen zu Projekten & Publikationen 

Forschungsinformationssystem (FIS) der WHZ

Beitrag im Forschungsmagazin Campusforschung der WHZ