Dieser Biochip stellt schnell Blutvergiftungen fest
Foto: © Fraunhofer IPM

Das menschliche Blut gibt Aufschluss über vielerlei Erkrankungen. Die Geschwindigkeit des Bluttests kann daher Leben retten – etwa bei einer Blutvergiftung. Mit einem neuen Biochip, den Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) in Freiburg entwickelt haben, können Mediziner das Blut künftig direkt in der Arztpraxis untersuchen und innerhalb von zwanzig Minuten liegt das Ergebnis vor.

Um etwa die Frage nach einer Blutvergiftung zu klären, nimmt der Arzt bislang Blut ab und schickt es zur Untersuchung an ein Zentrallabor. Dabei geht wertvolle Zeit verloren, die dem Patienten unter Umständen das Leben kosten kann. “Der neue Biochip wird in einem ebenfalls von uns konstruierten Gerät ausgewertet, das alle Untersuchungsschritte vollautomatisch durchführt”, erklärt Albrecht Brandenburg, Gruppenleiter am IPM. “Der Arzt muss lediglich die Blutprobe in das System stellen und auf das Ergebnis warten.” Je schneller und gezielter die Ärzte eine Sepsis erkennen und behandeln, desto größer sind die Überlebenschancen für den Patienten. Bereits im vergangenen Jahr hatte Fraunhofer -wie berichtet- ein Mini-Labor für Ärzte angekündigt und die Uni Saarland präsentierte kürzlich einen neue Krebsfrüherkennungs-Methode durch Bluttests.

Einen Prototyp des Geräts und des Biochips haben die Forscher bereits gemeinsam mit Kollegen einer Universitätsklinik erfolgreich getestet. Der Biochip wird jeweils nur einmal verwendet – entsprechend preisgünstig muss er sein: “Wir rechnen damit, dass er bei entsprechender Stückzahl langfristig nicht mehr als einen Euro kosten wird”, sagt Brandenburg. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig: So lassen sich auch andere Erkrankungen wie Herzinfarkt oder Krebs untersuchen. Weiterhin ermöglicht der Chip Doping- und Urintests und Qualitätsprüfungen an Lebensmitteln.

Das Gerät arbeitet konkret so: Zunächst bereitet es die Blutprobe vor. Rote Blutkörperchen werden vom Blut getrennt, das zurückbleibende Blutplasma wird auf den Biochip geleitet. Leidet der Patient an einer Sepsis, bildet sein Immunsystem als Abwehrreaktion bestimmte Proteine aus. Diese nutzt der Biochip zur Diagnose: Auf dem Chip sind Antikörper verankert, die an genau diese Proteine ankoppeln können. Falls also Proteine im Blut sind, fischen die Antikörper diese aus der Flüssigkeit heraus und fixieren sie auf dem Chip.

Doch woher weiß das System, ob Proteine gefangen wurden? “Es spült eine Lösung mit passenden Antikörpern über den Chip, die wiederum mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert sind”, erläutert Manuel Kemmler, Wissenschaftler am IPM. “Diese binden an die Proteine – Antikörper, Protein und fluoreszenzmarkierter Antikörper sind damit fest aneinander und an die Oberfläche gekoppelt. Beleuchtet man den Chip, leuchtet der Farbstoff auf.” Das System sieht viele kleine Leuchtpunkte, die verraten, dass Protein im Blut war. Ist der Patient dagegen gesund, bleibt der Chip dunkel.

Die Roboterspinne des Fraunhofer Instituts
Foto: © Fraunhofer IPA

Wissenschafter des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) haben einen Laufroboter in Spinnenform entworfen. Spinnen sind sehr beweglich, einige springen sogar. Diese Fähigkeit verdanken sie ihren hydraulisch betriebenen Gliedern. Fraunhofer hat jetzt einen Laufroboter mit 20 cam langen Spinnenbeinen konstruiert, der den Antrieb der Spinnenbeine zum Vorbild hat. Elastische Faltenbälge dienen als Gelenke.

Das im 3D-Druckverfahren gefertigte Leichtgewicht erkundet für den Menschen unzugängliches Terrain. Ein Prototyp des Roboters ist vom 29. November bis zum 2. Dezember auf der Messe EuroMold 2011 in Frankfurt auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand (Halle 11, Stand C66) zu sehen.

Flink und zielstrebig steuert der Laufroboter durch das nach einem Chemieunfall unbetretbare Gelände. Mulden, Furchen und andere Unebenheiten halten den achtbeinigen Hightech-Gesellen nicht auf. Seine Mission: Ausgerüstet mit Kamera und Messgeräten soll er den Einsatzkräften ein Lagebild und Daten über giftige Substanzen liefern. Keine leichte Aufgabe, schließlich darf er nicht umkippen. Doch diese Gefahr scheint gering – sicher und stabil bewegt er sich vorwärts. Wie bei einer Spinne berühren jeweils vier Beine den Boden, während die anderen vier sich nach vorne in die nächste Ausgangsposition drehen. Auch optisch erinnert das künstliche Gliedertier an den Achtfüßler. Kein Wunder – schließlich diente die Spinne den Forschern am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA als Vorbild. Noch liegt der Hightech-Helfer als Prototyp vor, doch künftig soll er seinen Dienst als Erkundungswerkzeug in für Menschen nur schwer zugänglichen oder gefährlichen Umgebungen versehen. Nach Naturkatastrophen, Industrie- oder Reaktorunfällen oder bei Feuerwehreinsätzen kann er die Rettungskräfte unterstützen, indem er etwa Live-Bilder überträgt oder Gefahrenquellen wie austretendes Gas aufspürt.

Die Besonderheit des Hightech-Helfers: Er ist nicht nur sehr leicht, sondern vereint sowohl starre als auch elastische Formen in einem Bauteil und lässt sich mit wenigen Fertigungsschritten kostengünstig herstellen. Bislang wurden Konstruktionen wie der Laufroboter mit konventioneller Maschinenbautechnik gefertigt – ein zeitaufwändiges und teures Unterfangen. Die Forscher am IPA hingegen setzen auf generative Fertigungstechnologien, konkret auf das selektive Lasersintern (SLS) von Kunststoffen, einem 3D-Druckverfahren. Dabei werden Schritt für Schritt dünne Schichten eines feinen Polyamidpulvers übereinander aufgetragen und mithilfe eines Laserstrahls in Form geschmolzen. So lassen sich komplexe Geometrien, innere Strukturen und Leichtbauteile herstellen – mit ähnlich optimalen Strukturen, wie man sie in der Natur beobachten kann. Die Experten am IPA können ihren Laufroboter flexibel konstruieren, also etwa die Beinmodule für eine bestimmte Belastung stufenlos auslegen.

Mit ihren langen Extremitäten kann sich die Spinne auf vielfältige Weise fortbewegen. Manche Exemplare sind sogar fähig zu springen. Dies gelingt ihnen durch hydraulisch betriebene Faltenbälge, die als Gelenke dienen und für die Beweglichkeit der Glieder sorgen. Da den Tieren Muskeln für das Strecken der Beine fehlen, bauen sie im Körper hohen Druck auf, mit dem sie Flüssigkeit in die Gliedmaßen pumpen. Schießt die Flüssigkeit in die Beine, werden sie gestreckt. »Wir haben uns dieses Fortbewegungsprinzip zunutze gemacht und auf unseren bionischen, per Computer gesteuerten Leichtbauroboter angewandt. Seine acht Beine und der Körper sind ebenfalls mit elastischen Faltenbälgen ausgestattet, die pneumatisch angetrieben werden und so die künstlichen Glieder beugen und strecken«, erläutert Ralf Becker, Wissenschaftler am IPA in Stuttgart. Die für den Antrieb erforderlichen Bauteile wie Steuerungseinheit, Ventile und Kompressorpumpe befinden sich im Körper, der je nach Anwendung unterschiedliche Messgeräte und Sensoren tragen kann. Scharniere ermöglichen im Zusammenspiel mit den Faltenbälgen die Vorwärts- und Drehbewegungen der Beine. Die sich diagonal gegenüberliegenden Glieder bewegen sich gleichzeitig. Durch Biegen der vorderen Beinpaare wird der Körper gezogen, durch Strecken der hinteren Extremitäten wird er geschoben.

Die Fraunhofer Sensorfolie wechselt von gelb zu blau, sobald der Inhalt verdorben ist
Foto: © Fraunhofer-EMFT

Bei verpacktem Fisch oder Fleisch ist es kaum möglich, zwischen frischer und bereits ungenießbarer Ware zu unterscheiden. Fraunhofer-Forscher haben eine Sensorfolie entwickelt, die in die Packung integriert wird und dort die Qualitätskontrolle übernimmt. Bei verdorbener Speise warnt sie durch einen Farbwechsel.

Ob der eingeschweißte Hähnchenschenkel wirklich noch frisch und genießbar ist? Ansehen kann man es ihm nicht. Auch das Mindesthaltbarkeitsdatum stellt keine Garantie da. Gammelfleischskandale haben den Verbraucher zusätzlich verunsichert, und auch der Kunde selbst verkürzt möglicherweise durch falsche Lagerung die Haltbarkeit. Eine Sensorfolie der Fraunhofer-Einrichtung für Modulare Festkörper-Technologien EMFT in München kann hier unverzüglich grünes – nein: gelbes Licht geben oder bei verdorbener Ware warnen. Die EMFT hat sie in einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt entwickelt.

Die Sensorfolie wird in die Innenseite der Verpackung integriert und reagiert auf biogene Amine. Das sind Moleküle, die beim Zersetzungsprozess von Lebensmitteln, vor allem Fisch und Fleisch, entstehen. Sie sind auch für den unangenehmen Geruch verantwortlich. Gelangen diese nun in die Luft in der Verpackung, so reagiert der Indikatorfarbstoff der Sensorfolie mit ihnen und wechselt seine Farbe von gelb zu blau. »Ab einem bestimmten Konzentrationsbereich ist die Farbänderung deutlich zu erkennen und kann somit eine Warnfunktion übernehmen«, erläutert Anna Hezinger, Wissenschaftlerin an der EMFT. Das ist nicht nur interessant, um ungenießbare Produkte zu erkennen. Viele Menschen reagieren überempfindlich auf bestimmte Amine. Eine Warnung ist für sie umso wichtiger.

»Die Information der Sensorfolie beruht im Gegensatz zum Mindesthaltbarkeitsdatum nicht auf einer Schätzung, sondern auf der tatsächlichen Kontrolle des Lebensmittels«, betont Hezinger. Gleichzeitig ist das System sehr kostengünstig. Das ist wichtig, damit es auch im großen Maßstab eingesetzt werden kann. Andere Lösungen, beispielsweise elektronische Sensoren, würden den Preis des abgepackten Fleisches zu stark erhöhen. Darüber hinaus müssen Dinge, die direkt mit Lebensmitteln in Kontakt kommen können, hohen Anforderungen genügen. »Die Lebensmittelsicherheit ist hier durch eine Sperrschicht zwischen Sensorfolie und Produkt gewährleistet. Diese Barriere lässt nur gasförmige Amine durch. Die Indikatorchemikalien können nicht passieren«, erläutert Hezinger.

Zusätzlich arbeiten die Wissenschaftler an einem Messmodul mit eingebauter Sensorfolie. Mitarbeiter der Lebensmittel- und Verpackungsindustrie können damit die Ware direkt testen und die Frische bestimmen. Das Gerät wertet die Farbreaktion objektiv aus und liefert zudem ein genaueres Ergebnis als das menschliche Auge. Auch Farbzwischenstufen lassen sich so exakt bestimmen. Derzeit suchen Hezinger und ihr Team noch Industriepartner, um die Sensorfolie und das Messmodul weiter zu entwickeln und zu produzieren.

Dies ist eine Spitzenentwicklung. Aber nun muss der Gesetzgeber auch dafür sorgen, dass solche Sensorfolien auch bei der Verpackung von Fisch und Fleisch verpflichtend verwendet werden müssen.

Fraunhofer bringt das 3D-Handy
Foto: © Fraunhofer HHI

3D-Filme werden schon in Kürze am Handy abrufbar sein. Fraunhofer-Forscher haben nämlich den neuen Mobilfunkstandard LTE-Advanced mit einem Video-Kodierverfahren kombiniert. In Verbindung mit dem neuen Mobilfunkstandard 3G-LTE lassen sich 3D-Filme laut Fraunhofer schnell und in bester Qualität empfangen. Das im LTE-Funksystem integrierte Radio Ressource Management ermöglicht demnach eine flexible Datenübertragung und berücksichtigt dabei unterschiedliche Qualitätsanforderungen (Quality of Service).

Eine Umfrage des Hightech-Verbands BITKOM ergab, dass in Deutschland mittlerweile 10 Millionen Menschen mit dem Handy im Internet surfen. Und es gibt noch einen weiteren Hype, der ungebrochen ist: Filme in 3D. Forschern am Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI in Berlin ist es gelungen, beides zu verbinden und das mobile Internet dreidimensional zu machen.

Bereits für Filme in besonders guter, hochauflösender HD-Qualität haben Forscher vom HHI ein spezielles Kompressionsverfahren entwickelt, das die Filme auf kleine Datenraten rechnet, dabei jedoch die Qualität erhält: H.264/AVC. Was das Videoformat H.246/AVC für Filme in High-Definition ist, ist das Multiview-Video-Coding MVC für 3D-Filme. “Mit MVC werden die zwei Bilder, die für den stereoskopischen 3D-Effekt nötig sind, so zusammengepackt, dass die Bitrate des Films deutlich verringert wird”, erklärt Wissenschaftler Thomas Schierl vom HHI. 3D-Filme können mit diesem Verfahren um bis zu 40 Prozent verkleinert werden.

Nintendo bringt am 25. April die mobile Spielekonsole 3DS
Foto: Nintendo

“Die mittels MVC aufgeteilten 2D- und 3D-Ströme können an der Luftschnittstelle für jeden Nutzer individuell priorisiert werden, um unterschiedliche Dienste zu unterstützen und neuen Geschäftsmodellen den Weg zu eröffnen”, erklärt Thomas Wirth, Wissenschaftler am HHI. Das sind zum Beispiel Premium-Dienste, bei denen nur der zahlende Nutzer Filme in 3D empfängt. Auch eine 3D-Qualitätsgarantie bei ungünstigen Empfangsbedingungen, etwa während einer Autofahrt, ist möglich. Die Kinder könnten dann auch auf dem Rücksitz ohne Unterbrechung Ice Age in 3D gucken.

Auf dem Mobile World Congress in Barcelona zeigen die Fraunhofer-Experten vom 14. bis 17. Februar in Halle 2, Stand E41 wie 3D in Zukunft auch mobil zum Erlebnis wird.

Am 25. März 2011 führt übrigens Nintendo eine tragbare 3D-Spielekonsole ein, für das keine Spezialbrille nötig ist: das Nintendo 3DS™, das in den Farben Kosmos-Schwarz und Aqua-Blau erhältlich sein wird. Das Nintendo 3DS erlaubt es nicht nur, Spiele in 3D ohne Spezialbrille zu sehen und zu spielen – er ermöglicht zudem einzigartige gemeinschaftliche Spielerlebnisse”, erklärte Laurent Fischer, Managing Director Marketing & PR von Nintendo of Europe.



Hans-Jörg Bullinger, Präsident der Fraunhofer Gesellschaft
Foto: fraunhofer.de

In Zeiten, in denen über neue Atomkraftwerke diskutiert wird, kommt jetzt eine intertessante Aussage von wem, der Bescheid weiss: “Eine Energieversorgung mit 100 Prozent erneuerbaren Energien ist schon 2050 machbar.” Dies betonte Eicke R. Weber, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE und Sprecher der Fraunhofer-Allianz Energie bei der Eröffnung der Fraunhofer-Energietage. Das Motto der zweitägigen Veranstaltung in der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften lautete: Energiekonzept Deutschland – Mit neuer Energie. Auf den Fraunhofer-Energietagen, die am 23. und 24. September 2010 stattfanden, beschäftigten sich Wissenschaftler, Unternehmer und PoIitiker damit, wie Deutschland den Übergang zu einer nachhaltigen, sicheren, wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Energiewirtschaft schaffen kann.

Die prognostizierten wirtschaftlichen Potenziale lassen sich laut Fraunhofer aber nur nutzen, wenn die einzelnen Akteure der weitverzweigten Energieforschung enger zusammenarbeiten. Ein Beispiel ist der Ausgleich von dem Angebot und Nachfrage nach Strom in intelligenten Netzen und die Speicherung von erneuerbarer Energie. Um diese Verzahnung zu fördern, hat die Fraunhofer-Gesellschaft 2004 ihre Aktivitäten für Energietechnologien in der Fraunhofer-Allianz Energie gebündelt. Die 2000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in 16 Instituten betreiben international systemübergreifende Energieforschung über Technologie- und Branchengrenzen hinweg. Ziel ist, auch kleinen und mittelständischen Unternehmen, aber auch Politik und Energiewirtschaft einen leichten Zugang zu den Kompetenzen der Fraunhofer-Institute zu verschaffen.

Die Fraunhofer-Allianz Energie konzentriert sich hier auf fünf strategische Forschungsbereiche. Die Forscher arbeiten an der Weiterentwicklung energieeffizienter Technologien, intelligenten Systemen zum Energiemanagement, neuen Speichersystemen sowie Verfahren zur Nutzung regenerativer Energien. “Wir sind national und international vernetzt. Um die Entwicklung von Elektrofahrzeugen voranzutreiben, arbeiten 33 Fraunhofer-Institute Hand in Hand. Sie kümmern sich nicht nur um Antriebskonzepte, sondern auch darum, wie Solartankstellen aussehen müssen oder welche Herausforderungen auf Stromversorgung und Stadtplanung zukommenerläuterte Hans-Jörg Bullinger, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft : “Als strategischer Partner ist Fraunhofer am Massachusetts Institute of Technology MIT ebenso aktiv wie in dem ambitionierten Ökostadtprojekt Masdar City in Abu Dhabi und der europäischen Initiative DESERTEC.”

Die Förderung der regenerativen Energien schont zudem nicht nur die Ressourcen, sondern stärkt auch die Unternehmen hierzulande. “Der Ausbau der erneuerbaren Energien ist ein Treiber für unsere Wirtschaft. Dies zeigte sich in der Krise”, erklärte Bullinger und verwies auf entsprechende Fraunhofer-Studien. Ein höheres Tempo bei der Nutzung grüner Technologien hätte demnach mehrere positive Effekte: Die Abhängigkeit Europas von Rohstoffimporten würde sinken, ebenso der Ausstoß von Kohlendioxid zum Wohle des Klimas. Gleichzeitig könnte Deutschland seine starke Stellung als Exportnation von innovativer Umwelt- und Energietechnik ausbauen. Schon heute dominieren deutsche Unternehmen den Markt für grüne Technologien, erklärte Bullinger:

So beträgt der Anteil deutscher Unternehmen am Weltmarkt für Energieerzeugungs¬technologien 30 Prozent, bei Technologien für Kreislaufwirtschaft, Abfall und Recycling sind es 25 Prozent wie eine Auswertung von Markstudien und Branchenanalysen durch Roland Berger ergeben hat. Wenn das hohe Innovationstempo beibehalten wird, könnten in den nächsten zehn Jahren zahlreiche zusätzliche Arbeitsplätze geschaffen werden, insbesondere in den Bereichen Energiegewinnung aus Sonne, Wind und Biomasse, Energieeffizienz in Industrie und Haushalten sowie Ausbau der Stromnetze. Bis 2020 rechnet das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI in Karlsruhe mit bis zu 380.000 Beschäftigten im Greentech-Sektor, bei verstärkten Anstrengungen im Klimaschutz sind sogar 630.000 Arbeitsplätze möglich. Zudem würde das Bruttoinlandsprodukt um 70 beziehungsweise 81 Milliarden Euro steigen.

Für ihre Forderung nach einem beschleunigten Ausbau erneuerbarer Energien haben die Fraunhofer-Experten prominente Unterstützung. Klaus Töpfer, ehemaliger Bundesumweltminister und einstiger Direktor des UNO-Umweltprogramms UNEP, hält das 100-Prozent-Ziel ebenfalls für realistisch: “Wir müssen alles daran setzen – etwa in der Entwicklung erneuerbarer Energien und durch die Erhöhung der Energieeffizienz –, diese Zukunft so schnell wie möglich zu erreichen”, so Töpfer, der heute das Institute for Advanced Sustainability Studies in Potsdam leitet. Töpfer sieht im schnellen Umstieg auf erneuerbare Energien “große Chancen für den Markt und die Menschen”. Dafür sollte die Bundesregierung allerdings ambitioniertere Ziele setzen. Die strebt bis 2050 einen Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttoendenergieverbrauch von 60 Prozent an. Doch schon mit Technologien, die bereits heute zur Verfügung stehen oder derzeit entwickelt werden, ließe sich eine weit höhere Quote erreichen.

Das Fraunhofer Biolabor
Foto: FraunhoferIBMT

Dank Labortests lassen sich viele Krankheiten heute zuverlässig diagnostizieren. Doch diese in-vitro-Analysen kosten oft wertvolle Zeit. Ein System der Fraunhofer-Forscher, das selbst komplexe Analysen vor Ort ermöglicht, steht jetzt kurz vor der Marktreife. In einem Verbundprojekt haben Forscher aus sieben Fraunhofer-Instituten nun eine modular aufgebaute Plattform für in-vitro-Diagnostik entwickelt, mit der sich unterschiedliche Bioanalysen – etwa von Blut und Speichel – direkt in der Arztpraxis durchführen lassen.

Kernelement des Mini-Labors sind laut Fraunhofer Einweg-Kartuschen aus Kunststoff, die mit unterschiedlichen Sensoren bestückt werden können. Für eine Analyse befüllt der Arzt die Kartusche mit entsprechenden Reagenzien – Bindemitteln, die bestimmte Stoffe wie Antigene im Probenmaterial nachweisen. Je nach Fragestellung stehen ihm außerdem unterschiedliche Nachweisverfahren – englisch Assays – bereit. Um einen Assay durchzuführen, muss der Arzt nur die Kartusche mit den entsprechenden Substanzen beladen, der Test läuft dann automatisiert ab.

Ist die Kartusche entsprechend präpariert, legt sie der Arzt in das Messsystem ein. Die Ergebnisse der Speichel- und Bluttests kann er wahlweise mit optischen oder elektrochemischen Biosensoren auslesen. Für beide Methoden haben die Forscher im Messsystem je ein Auslesefenster mit einem Bypass installiert, durch den die Probe gepumpt wird. So erhält der Arzt auch bei komplexen Analysen innerhalb von etwa 30 Minuten ein Ergebnis. Eine neues Modul auf der Rückseite der Kartusche ermöglicht es zudem, das Probenmaterial auf DNA-Ebene zu untersuchen.

“Dank ihres Baukastenprinzips ist unsere ivD-Plattform so flexibel, dass sie sich für alle möglichen bioanalytischen Fragestellungen eignet”, so Eva Ehrentreich-Förster vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT in Potsdam-Golm:” Wir haben die Assays dabei so optimiert, dass sich in einem einzigen Analyseschritt bis zu 500 Nachweisreaktionen parallel durchführen lassen”.

Das Mini-Labor steht kurz vor der Marktreife. Die Wissenschaftler stellen die ivD-Plattform vom 23. bis zum 26. März auf der Messe Analytica in München vor. Neben medizinischen Anwendungen hat Ehrentreich-Förster noch weitere Märkte im Blick: “Die ivD-Plattform eignet sich auch für die Lebensmittelanalytik oder für Dopingkontrollen.”