Das Funktionsprinzip der mobilen Expansionskammer PINE basiert auf der Volumenausdehnung, die bereits aus der Aerosolkammer AIDA des KIT bekannt ist. Dabei werden die aus der Umgebungsluft entnommenen Aerosolpartikel innerhalb der Kammer zu Nebeltröpfchen aktiviert. Abhängig von der Anfangstemperatur der Kammer sowie der entnommenen Luft gefriert ein kleiner Teil der Tröpfchen und bildet größere Eiskristalle. Sowohl die kleineren Tröpfchen als auch die großen Eiskristalle werden mit einem optischen Partikelzähler gemessen, um die Konzentration der Eiskernpartikel (ice nucleating particles: INPs) sowie die Gesamtpartikelkonzentration zu bestimmen. PINE ist im Unterschied zu AIDA nicht auf INP-Messungen und Eisnukleationsforschung beschränkt und wird für Kammern variabler Größe und unterschiedlicher Bereiche von Wandtemperatur und Probenentnahmedruck funktionieren. Damit ist PINE das erste Instrument, das automatisch Langzeitreihen von INP-Konzentrationen mit hoher Empfindlichkeit, Zeitauflösung und in großem Temperaturbereich messen kann.

Das Institut für Meteorologie und Klimaforschung des KIT arbeitet gemeinsam mit der University of Leeds sowie der Bilfinger Noell GmbH an dieser Entwicklung. Bilfinger bringt eine hohe Kompetenz im Bereich der Kältetechnik mit und war bereits intensiv an der Entwicklung der neuen dynamischen Wolkenkammer AIDA-2 beteiligt.

Bild: Das Projektteam rund um PINE

Mit der Verfügbarkeit einer kostengünstigen Methode zur Früherkennung von Brustkrebs auf Basis medizinisch bildgebender Verfahren und damit einer sehr frühen Behandlungsmöglichkeit eröffnet sich die Chance, die Überlebensrate betroffener Frauen deutlich zu erhöhen. Ziel des Instituts für Datenverarbeitung und Elektronik (IPE) am KIT ist die Entwicklung eines bildgebenden 3D-Ultraschall-Tomographie-Systems (USCT), das schon sehr kleine Tumore mit einem Durchmesser von bis zu 5 mm erkennen kann und eine gezielte Biopsie ermöglicht.

Aktuell wird in enger Zusammenarbeit mit der Uniklinik Mannheim der Prototyp 3D USCT II in einer Testreihe mit ca. 200 Probandinnen evaluiert, um eine Aussagekraft des Verfahrens im Vergleich zu Mammographie und MRT zu verifizieren. In der Kooperation mit der Fa. Realcan ergibt sich einerseits die Chance, das USCT-System selbst in der nächsten Generation zur Marktreife weiterzuentwickeln. Andererseits können über das Vertriebsnetz des chinesischen Pharmakonzerns die direkten Kontakte zu einer Vielzahl von Kliniken unterstützen, die Validierung und Anerkennung der USCT-Screening Methode deutlich voranzutreiben. Geplant ist in einer multizentrischen klinischen Studie mehr als tausend Probandinnen parallel in mehreren Kliniken zu untersuchen und die Datensätze sowohl zur Validierung als auch zur generellen Akzeptanz und Etablierung der Screening Methode in der Medizin zu nutzen.

Bereits jetzt gilt die USCT Methode als innovative Alternative zur Mammographie. Sie ermöglicht eine frühzeitige und damit bessere Diagnose von Brustkrebs, ohne das mit der Mammographie verbundene Strahlenrisiko.

Bild: Funktionsprinzip des 3D-Ultraschall-Tomographie-Systems

Da bei Reklamationen oder Schadensansprüchen Markenhersteller oft in der schwierigen Nachweispflicht sind, dass es sich um eine Fälschung und nicht ihr Original handelt, entstehen ihnen erhebliche Kosten durch Produktpiraterie. Im TT-Projekt „ParMESan“ versucht das KIT-Team gemeinsam mit dem Industriepartner Polysecure durch Dotierung mit Fluoreszenzmarkern eine Art Fingerprint-Identifikation auf das Produkt aufzubringen, die für das bloße Auge unsichtbar ist. Erst beim Bestrahlen (Anregen) der entwickelten Marker, beispielsweise mit Laserlicht bestimmter Wellenlänge, erreicht man durch Upconversion-Fluoreszenz ein Leuchten in fluoreszierenden Farben. Dies kann je nach eingesetzten Materialien von Rot über Gelb und Grün bis hin zu Blau leuchten. Das entstehende Muster kann einwandfrei und fälschungssicher identifiziert werden und als praktikable und wirtschaftliche Lösung für die allgegenwärtige Produktpiraterie eingesetzt werden.

Im Kunststoff-Recyclingbereich können die Fluoreszenzmarker ebenfalls sehr gut eingesetzt werden. Einerseits um Materialien zu sortieren, die sehr ähnlich sind und durch andere Methoden nicht so einfach differenziert werden können – z.B. faserverstärkte Kunststoffe, die von gleichen, reinen Kunststoffen getrennt werden sollen. Andererseits können durch den Fingerabdruck eine Vielzahl von Kunststoffen auch in Form und Farbe voneinander getrennt werden, um sie spezifisch wieder verwenden zu können – z.B. Lebensmittelverpackungen (Trinkflaschen) werden der Getränkeindustrie wieder zugeführt. Dies wäre ein großer Beitrag zum Kreislaufwirtschaftskonzept. Aufgabe und Kompetenz des KIT in diesem Projekt ist es, neue Materialien zu identifizieren und entwickeln, diese in ihrer Quantenausbeute zu optimieren und einen Beitrag zu deren industrieller Produktion zu leisten.

Bild: Kunststoffidentifizierung mittels optischer Detektion

Bei der Air-Liquid-Interface (ALI) Exposition werden Zellkulturen Gasen oder Aerosolen ausgesetzt und im Anschluss deren biologische Wirkung untersucht. Die ALI-Technik hat entscheidende Vorteile, da die Lungenzellen unter physiologischen Bedingungen behandelt werden und die niedrige Partikeldosis gemessen wird.
Im Projekt KALIBIO wurde ein automatisiertes Messgerät zur ALI-Exposition von Bioassays entwickelt und am Markt eingeführt. Basierend auf Kampagnenerfahrungen wurden Safe-by-Design-Lösungen für den Betrieb und die Experimente entwickelt und implementiert. Das Expositionssystem wird mittlerweile von Forschungsinstituten in München, Rostock, Oslo (Norwegen) und Bilthoven (Niederlande) eingesetzt um die Toxizität von Nanopartikeln aus Industrie und Verbrennung zu bewerten.

Publikationen:

• Metabolic Profiling as Well as Stable Isotope Assisted Metabolic and Proteomic Analysis of RAW 264.7 Macrophages Exposed to Ship Engine Aerosol Emissions: Different Effects of Heavy Fuel Oil and Refined Diesel Fuel.
• Toxicity testing of combustion aerosols at the air-liquid interface with a self-contained and easy-to-use exposure system.
• Particulate matter from both heavy fuel oil and diesel fuel shipping emissions show strong biological effects on human lung cells at realistic and comparable in vitro exposure conditions.