F orsc hungsberic ht 20 06 / 20 07 - Fachhochschule Nordwestschweiz

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F orsc hungsberic ht 20 06 / 20 07 - Fachhochschule Nordwestschweiz

Forschungsbericht

2006 / 2007


Editorial

Der Forschungsbericht der Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW gibt einen

Überblick über aktuelle Forschungsaktivitäten unserer Hochschule. Mit dem Ziel,

das breite Spektrum der Forschungsthemen in angemessener Form darzustellen,

entstand ein Kompendium mit acht ausführlich beschriebenen Projekten und insgesamt

30 Kurzporträts.

In erster Linie gewährt der Bericht Einblick in die anwendungsorientierten Forschungsprojekte

der FHNW. Eine Umschreibung des Forschungsverständnisses

sowie der spezifischen Aspekte und Schwerpunkte der Forschung in den einzelnen

Hochschulen finden sich in den Einführungsbeiträgen.

Der Bezug unserer Forschungstätigkeiten zur Praxis, d.h. zur direkten, unmittelbaren

Anwendung der Forschungsresultate in Wirtschaft, Gesellschaft und Politik,

zeichnet die Arbeiten an der FHNW aus. Dieser anwendungsorientierte Charakter

zeigt sich deutlich in der gezielten und wohlabgestimmten Zusammensetzung der

Projektteams und Kooperationspartner.

Besonders hervorzuheben sind strategische, langfristig ausgelegte Kooperationen

der FHNW mit Universitäten und anderen Kompetenzzentren. Diese konnten im

Laufe des letzten Jahres durch verbindliche Vereinbarungen und Projekte gefestigt

werden. Beispiele hierfür sind die Zusammenarbeit mit dem Kompetenzzentrum

für Energie und Mobilität CCEM, dem Swiss Nanoscience Center der Universität

Basel oder die gemeinsam durch die Pädagogische Hochschule und die Universitäten

Basel und Zürich getragenen Forschungsinstitutionen.

Für das Jahr 2006 belief sich der Forschungsumsatz der FHNW auf rund 52 Millionen

Franken. Dies entspricht ca. 17 Prozent des Gesamtaufwandes der FHNW.

Ein wesentlicher Anteil der benötigten Mittel (18,5 Mio.) konnte durch akquirierte

Drittmittel gedeckt werden. Wie schon im Jahr 2006 werden wir voraussichtlich

auch 2007 die Zielwerte gemäss Leistungsauftrag unserer Trägerkantone Aargau,

Baselland, Basel-Stadt und Solothurn einhalten können.

Im Hinblick auf eine weitere internationale Vernetzung unserer Forschungsaktivitäten

ist die Teilnahme am siebten Forschungs-Rahmenprogramm der Europäischen

Union von Bedeutung. Zur Zeit befinden sich verschiedene Projektanträge

in der Eingabephase, und wir hoffen, im nächsten Jahr über zahlreiche Zusagen

berichten zu können.

Zu erwähnen ist auch der 2007 initiierte interne FHNW-Forschungsfonds. Mit dem

Ziel, sowohl die hochschulübergreifende Zusammenarbeit als auch die Kooperation

mit Praxispartnern zu fördern, wurden im Jahr 2007 21 anspruchsvolle und

zukunftsweisende Projekte bewilligt.

An dieser Stelle bedanken wir uns bei allen Förderinstitutionen, die im Jahr 2006

rund 550 Forschungsprojekte der FHNW unterstützt haben. Eingeschlossen sind

hier sowohl Stiftungen, Förderagenturen der Kantone und des Bundes sowie internationale

Initiativen.

Abschliessend bedanken wir uns bei allen Mitarbeitenden der FHNW für ihr hohes

Engagement und erfolgreiches Wirken in der FHNW-Forschung. Speziell gilt

dieser Dank auch all jenen, die direkt oder indirekt zu diesem Bericht beigetragen

haben.

Richard Bührer Wolfgang Kickmaier

Direktionspräsident Delegierter für Forschung

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Extraktionsanlage am Zentrum für Verfahrenstechnik in Muttenz


Hochschule für Life Sciences

«Gesamthaft verstehen wir die Life Sciences

als Innovationstank für sicheres und gesundes Leben.»

Prof. Dr. Gerda Huber, Direktorin Hochschule für Life Sciences

36 Hochschule für Life Sciences – eine Zukunftsperspektive

37 Neuartige In-vitro-Diagnostik auf Basis moderner Technologien

Neue Techniken ermöglichen einen einfacheren Nachweis von

erblich bedingten Muskelerkrankungen.

40 Wie wirken UV-absorbierende Chemikalien auf das Hormonsystem?

41 Silber / Silica-Nanopartikel als Additive für Polymere mit

antimikrobieller Wirkung

42 Prozessanalytische Technologie (PAT) für die Mahlung und Förderung

pharmazeutischer Pulver und Granulate

43 Individualisierte Implantate aus dem 3D-Drucker

44 Reduktion von Treibhausgasen in Jordanien

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Hochschule für Life Sciences

Hochschule für Life Sciences –

eine Zukunftsperspektive

Die Hochschule für Life Sciences befindet sich im Herzen einer weltweit

führenden Life-Sciences-Region. Diesen Vorteil nutzt die HLS bewusst:

Sie arbeitet eng mit der Industrie und anderen Repräsentantinnen und

Repräsentanten aus dem Bereich Life Sciences zusammen.

Nach ihrem ersten Betriebsjahr hat die

Hochschule für Life Sciences (HLS) der

FHNW begonnen sich zu positionieren.

Zukunftsträchtiges soll aus dem Thema

Life Sciences entstehen und einen

Beitrag zur Stärkung unserer Volkswirtschaft

leisten. Die Life Sciences,

ein Schlüsselgebiet des 21. Jahrhunderts,

befassen sich mit Themen aus

den Bereichen Biologie, Medizin, Natur-

und Ingenieurwissenschaften. Die

HLS versucht, praktische Lösungen für

neue Produkte und Verfahren für die

Pharmaindustrie, für Diagnostik- und

Medizintechnikunternehmen und ihre

Zulieferfirmen zu entwickeln. Auch

Risikoanalysen und Technologien für

nachhaltiges Umweltmanagement gehören

dazu. Gesamthaft verstehen wir

die Life Sciences als Innovationstank

für sicheres und gesundes Leben.

Um diesen Anforderungen gerecht zu

werden, braucht es neben gut ausgebildeten

Absolventinnen und Absolventen

und Fachkräften für die Industrie auch

Technologie- und Innovationsstärke

für Forschungs- und Dienstleistungsprojekte.

Nachdem im ersten Betriebsjahr

die neu entwickelten Bachelorstudiengänge

Life Science Technologies

und Molecular Life Sciences mit vollen

Kursen gestartet sind, sind wir nun

dabei, ein für FH-Verhältnisse grosses

Bekenntnis zur anwendungsorientierten

Forschung zu realisieren: Seit dem

Start der Hochschule im Jahr 2006 wurden

die Forschungsfelder definiert und

sortiert und bereits mehr als zehn neue

Stellen besetzt. Im Institut für Chemie

und Bioanalytik wurden die Bereiche

molekulare Analytik und Diagnostik

sowie Bio- und Nanotechnologie ausgebaut.

Im Institut für Ecopreneurship

wurden die Gebiete Ökotoxikologie und

Umwelttechnik gestärkt sowie der Bereich

Bioengineering und Umweltmikrobiologie

eingeführt. Die neuen Institute

Medizinal- und Analysetechnologie

sowie Pharmatechnologie haben mit

ihrem Kompetenzaufbau begonnen. Diverse

Forschungsprojekte sind bereits

in der Umsetzung.

Die Forschungsfelder und Technologien,

mit denen wir uns beschäftigen, umfassen

die gesamte Wertschöpfungskette

industrieller Gesundheitslösungen, beginnend

mit der Diagnose und der Therapie

(z.B. Methoden zur Entwicklung

massgeschneiderter Medikamente und

Medizinalprodukte) bis hin zum Gesundheitsmanagement

durch saubere

industrielle Produktion und dem Umwelt-

und Ressourcenmanagement.

In der Medizintechnik konzentrieren

wir uns auf die Biosignalverarbeitung

und die Entwicklung von Implantaten

mit neuen Materialeigenschaften und

biomechanischen Funktionen sowie

auf individuelle und aktive Implantate

mit informationstechnischen Eigenschaften.

Die Kombination von Implantaten

mit Arzneimitteln ist ein nächster

Schritt in die Zukunft. Rationale

Formulierungsentwicklung und Arzneiformherstellung

sind ausgewählte

Themen im Bereich Pharmatechnik. In

der Diagnostik stehen vor allem bildgebende

Verfahren sowie biologische und

molekulare Methoden im Vordergrund.

Wir beherrschen Immunoassays, Gentests,

Proteomanalysen, Massenspektroskopie,

Biosensoren und nanotechnische

Microarrays. Funktionalisierte

Nanopartikel eröffnen neue Möglichkeiten

für bildgebende Verfahren und

Therapieansätze. In der Chemie und

Verfahrenstechnik profitieren wir von

der langjährigen Erfahrung der FHBB

in den Bereichen organische Synthese

und Katalyse sowie Prozess- und Verfahrensentwicklung.

Hier werden in

den nächsten Jahren neue Technologien

unser Spektrum erweitern.

Die Kompetenzen unserer vier Institute

und diverse Partnerschaften bieten eine

gute Basis für die erfolgreiche Entwicklung

der Hochschule für Life Sciences.

Gerda Huber

Direktorin Hochschule für

Life Sciences


Neuartige In-vitro-Diagnostik auf Basis

moderner Technologien

Microarray-Biosensorik, 2-D-Gelelektrophorese und Massenspektrometrie

heissen die Techniken, mit denen defekte Proteine

in Blutzellen und erkranktem Gewebe von erblich bedingten

Muskel erkrankungen nachgewiesen werden können. Dies erlaubt

Aussagen über die Art der Erkrankung.

Daniel Gygax, Institut für Chemie und Bioanalytik

Abbildung 1: Arbeitsschritt beim Nachweis von Muskelproteinen

Muskeldystrophien sind Erbkrankheiten, die zu fortschreitendem

Muskelschwund führen. Dieser ist heute noch nicht

heilbar und verläuft bei vielen Formen nach jahre- oder

jahrzehntelanger Dauer letztlich tödlich. Es sind mehr als

20 verschiedene Formen von Muskelschwund bekannt, die

sich hinsichtlich Erbgang, Körperregion, Erkrankungsalter

und Verlauf unterscheiden. Die häufigsten Formen sind die

Muskeldystrophie vom Typ Duchenne sowie deren mildere

Form vom Typ Becker. Da viele Formen zu einer teils drastisch

verminderten Lebenserwartung führen, ist eine frühe

und präzise Diagnose unerlässlich.

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Weniger Gewebeproben dank Microarray-Technologien

Obwohl für die meisten Muskeldystrophie-Formen die defekten

Gene und Genprodukte, die Proteine also, bekannt sind,

gestaltet sich die In-vitro-Diagnose schwierig. Die Muskelbiopsie

erlaubt das Aufspüren von Muskelproteinen im

Muskelgewebe mit entsprechenden Antikörpern unter dem

Mikroskop. In einer Blutprobe ist es zudem möglich, mit molekulargenetischen

Methoden direkt die defekten Gene aufzufinden.

Mit den heute etablierten Methoden benötigen die Bioanalytikerinn

bzw. der Bioanalytiker für den Nachweis einer Vielzahl

defekter Muskelproteine relativ viel Muskelgewebe. Die

Firma Zeptosens in Witterswil stellt Protein-Microarray-Systeme

her, mit denen man, ausgehend von geringsten Mengen

biologischen Materials, eine Vielzahl von Proteinen analysieren

und quantifizieren kann. Die Microarray-Technik besteht


Hochschule für Life Sciences

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Abbildung 2: Prinzip Reverse-Phase Protein Microarray

im Wesentlichen darin, mikroskopisch kleine Punkte (Spots)

von Probenmaterial auf eine speziell vorbereitete Oberfläche

(Chip) aufzutragen. Mit fluoreszierenden biospezifischen

Sonden lassen sich dann die verschiedenen Analyten wie Proteine

im Probenmaterial sichtbar machen. Analyt und Sonde

verhalten sich dabei wie Schloss und Schlüssel. Protein-Microarrays

nutzen meist Antikörper als Sonden zum Nachweis

von bestimmten Proteinen oder Proteinbestandteilen. Durch

die enorme Dichte von Spots auf einem Chip erhält man mit

einer Microarray-Analyse in verhältnismässig kurzer Zeit

eine grosse Anzahl von Informationen (1'584 Datenpunkte).

Es gibt heute bereits diagnostische Microarrays, jedoch basieren

diese meist auf DNA und quantifizieren die RNA-Menge

der betreffenden Gene.

Neue Prozeduren vielversprechend

Im Rahmen einer Dissertationsarbeit und in Zusammenarbeit

mit der Universität Basel, der ETH Zürich und der Firma

Zeptosens AG wurden Methoden entwickelt, um eine Vielzahl

der defekten Proteine oder allfällige Indikatorproteine im

Muskelgewebe oder Blut mit wenig Probenmaterial einfach

und schnell nachzuweisen.

Dabei wurden auf einem ZeptoMARK-Chip Muskelgewebe

von Duchenne-Patienten mit Muskelgewebe von Gesunden

verglichen. Das Muskelgewebe wurde nach einem neu entwickelten

Prozedere auf den Chip aufgebracht. Dies ermöglichte,

die Muskelproteine, deren Vorkommen über die Muskeldystrophien

entscheiden, mit kommerziell erhältlichen

Antikörpern sichtbar zu machen. Das Prinzip eines solchen

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so genannten Reverse-Phase Protein Microarray ist in Abbildung

2 dargestellt. Die Proben der Duchenne-Patienten

konnten eindeutig und statistisch zum Teil hoch signifikant

von den Proben der Gesunden unterschieden werden (Abbildung

3). Bemerkenswert ist, dass die Analyse mit einer Probenmenge

durchgeführt werden kann, die um ein Vielfaches

kleiner ist als bei der etablierten Gewebeuntersuchung. Dies

ermöglicht es, anstelle einer klassischen Muskelbiopsie die

deutlich weniger invasive Nadelbiopsie anzuwenden. Zudem

können in einem Messdurchgang 15 bis 20 der krankheitsrelevanten

Proteine nachgewiesen werden. Die Ergebnisse

sind bei Experten bereits auf grosses Interesse gestossen

und waren die Grundlage für die Zusicherung einer weiteren

Kooperation mit einer Forschungsgruppe an einer Universitätsklinik

in Deutschland, die Studien mit Dystrophie-

Patienten durchführt. Nachdem die ersten Resultate im Muskelgewebe

auf dem Protein-Microarray vielversprechend

sind, wird in einem nächsten Schritt die proteinbasierte

Diagnostik im Muskelgewebe auf dem Array verfeinert und

erweitert. Neben einer verbesserten Probenvorbereitung, die

nach wie vor das A und O einer erfolgreichen und reproduzierbaren

Microarray-Analyse darstellt, sollen andere Formen

der Muskeldystrophie untersucht werden.

Bioanalytik und molekulare Diagnostik

Die anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung im

Bereich Bioanalytik im Institut für Chemie und Bioanalytik

entwickelt Immunoassays und Enzymassays zur verbesserten

Diagnostik von Krankheiten. Es werden kostengünstige

Testsysteme zur genetischen Analyse von multiplen Genen

ausgearbeitet. Zur Abklärung des Induktionspotenzials von

Wirkstoffen wird an einem Reportergen-Assay gearbeitet.

Das jüngste Projekt ist die Entwicklung von funktionellen

Ionenkanalassays auf der Basis einer standardisierten Plattform.


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Abbildung 3: Auf dem Protein-Microarray können Patienten eindeutig von

Gesunden unterschieden werden. Innerhalb der Patienten-Gruppe zeigen

sich mildere Formen der Muskeldystrophie durch leicht erhöhte Fluoreszenz-

Signale auf dem Chip.

Proteomanalyse an Tiermodellen

Die Microarray-Technik erlaubt das Aufspüren von bekannten

Proteinen. Unser Interesse ist es aber auch, im kranken

Muskelgewebe ein typisches «Muster» von Proteinen zu

identifizieren, das sich vom Muster im gesunden Gewebe

unterscheidet. Da Muskelbiopsien seltene und kostbare biologische

Proben darstellen, greifen wir auf ein Tiermodell

zurück. Beim Stamm der so genannten mdx-Maus führt eine

Mutation im Dystrophin-Gen dazu, dass dem Tier, wie den

Duchenne-Patienten, das Protein Dystrophin fehlt, was zur

Zerstörung des Muskelgewebes führt. Die mdx-Maus gilt daher

als etabliertes Modell für die Muskeldystrophie vom Typ

Duchenne. An der Universität Basel wird mit einem anderen

Stamm gearbeitet, der dyW-Maus. Diese dient als Modell für

die kongenitale Muskeldystrophie vom Typ 1A (Merosin-Defizienz).

Die Universität Basel stellt uns Gewebe der kranken

Mäuse sowie der entsprechenden gesunden Kontrollmäuse

zur Verfügung, so dass wir im Gewebe von diesen Mäusen

eine Analyse des Muskelgewebe-Proteoms (Gesamtheit der

Proteine im Muskelgewebe zu einer bestimmten Zeit in einem

bestimmten Zustand) durchführen können. Dies geschieht

mittels zweidimensionaler Gelelektrophorese (2-DE) oder

Massenspektrometrie. 2-DE ist eine äusserst leistungsfähige

Methode zur Analyse von Proteinen in komplexen Mischungen,

wie man sie in Geweben findet. So wird ein Gesamtüberblick

über das Proteom der mdx-Maus oder der dyW-Maus

im Vergleich zu gesunden Mäusen erstellt. Im Optimalfall

lassen sich dann die krankheitsrelevanten Protein-Muster im

Vergleich zu den gesunden Mäusen reproduzierbar nachweisen,

und in einem späteren Schritt können die Experimente

in menschlichem Muskelgewebe durchgeführt werden.

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Fazit

Künftige Untersuchungen in Blutzellen und auch in Zellen

aus Muskelzellkulturen ermöglichen dank des Einsatzes der

Massenspektrometrie die Identifikation neuer relevanter diagnostischer

Marker.

Projektteam: Daniel Gygax, Claudia Escher, Institut für

Chemie und Bioanalytik, FHNW

Schlüsselwörter: In-vitro-Diagnostik | Muskel dystrophien

| Proteomics | Microarrays

Projektkooperationen: Markus Rüegg, Uni Basel | Ruedi

Aebersold, ETH Zürich | Markus Ehrat, Zeptosens –

a Division of Bayer (Schweiz) AG

Projektförderung: Durch Projektpartner

Dauer: 20072009

Literatur:

– Emery, A.E.H. (2002): The muscular dystrophies.

The Lancet, 359 (9307), p. 687– 695.

– Pawlak, M., et al. (2002): Zeptosens’ protein microarrays: a

novel high performance microarray platform for low

abundance protein analysis. Proteomics, 2(4), p. 383 – 93.

– Prior, T.W., Bridgeman, S.J. (2005): Experience and

Strategy for the Molecular Testing of Duchenne Muscular

Dystrophy. Journal of Molecular Diagnostics, 7, p. 317– 325.


Hochschule für Life Sciences

Wie wirken UV-absorbierende Chemikalien auf das

Hormonsystem?

Gewisse UV-Filtersubstanzen, die als Rückstände in Gewässern

auftreten, sind hormonell aktiv, doch die Auswirkungen

auf Wasserorganismen sind bisher noch unklar. In diesem

Forschungsprojekt wird die hormonelle Aktivität von Substanzmischungen

untersucht und ihr Risikopotenzial abgeschätzt.

Zudem werden Lösungen im Umgang mit diesen Stoffen

entwickelt. | Karl Fent, Institut für Ecopreneurship

Rückstände von UV-Filtern in Gewässern

UV-absorbierende Chemikalien (UV-Filter) finden zunehmend

Anwendung in Sonnenschutzmitteln, in Kosmetika und im

Materialienschutz. Meist werden Mischungen verschiedener

Stoffe verwendet, die letztlich direkt oder indirekt in die Gewässer

gelangen, wo sich denn auch Rückstände davon nachweisen

lassen. Allgemein ist über die Wirkung von Chemikalienmischungen

nur wenig bekannt. Dies gilt ganz besonders

für Stoffe in der Umwelt. Bestimmte UV-Filter können bei

Fischen eine hormonelle Aktivität entfalten, wie frühere Studien

von uns gezeigt haben. Unbekannt ist jedoch, wie diese

Stoffe in Mischungen wirken.

Aktivität von Mischungen

Im Prinzip können sich die Einzelverbindungen in einer Mischung

je nach ihrer Aktivität anteilmässig aufsummieren.

Damit addieren sich die Konzentrationen zur Gesamtwirkung.

Die Einzelverbindungen könnten sich aber auch gegenseitig

beeinflussen, so dass die Gesamtwirkung höher ist als die

Summe der Einzelwirkungen. In diesem Fall handelt es sich

um einen synergistischen Effekt. Umgekehrt können sich die

Stoffe auch antagonistisch verhalten.

Wir testen diese Möglichkeiten in vitro und bei Fischen mit

definierten Mischungen, die eine vergleichbare Wirkung haben

wie das weibliche Geschlechtshormon Estrogen. Für die

In-vitro-Versuche werden Hefezellen verwendet, die einen

menschlichen Estrogenrezeptor tragen. Bindet ein estrogener

Stoff an den Rezeptor, wird ein Reportergen angeschaltet,

wodurch eine Farbänderung sicht- und messbar wird. Solche

Versuche lassen sich mit Einzelverbindungen und mit Mischungen

elegant durchführen.

Als Erstes haben wir die Aktivität von über zwanzig UV-Filtern

bestimmt. Dabei zeigte sich, dass die Hälfte eine estrogene

Aktivität besitzt, die jedoch stark variieren kann. Wir

haben dann jene ausgewählt, die eine klare Dosis-Wirkungskurve

zeigen. Mit diesen Substanzen wurden Mischungen

unterschiedlicher Aktivität analysiert. Die beiden Stoffe

wurden in jenen Konzentrationen untersucht, bei denen ihre

estrogenen Aktivitäten je 75, 50, 25 oder 0,05 Prozent der Maximalwirkung

betrug.

Überraschenderweise fanden wir in den meisten Mischungskombinationen

zweier UV-Filter mit oder ohne Beimischung

von Estradiol synergistische Interaktionen (Abbildung 1A).

Als Nächstes untersuchten wir Mischungen von vier antagonistisch

wirkenden UV-Filtern sowie von acht UV-Filtern, die

auch eine leicht antagonistische Aktivität besitzen. Auch in

diesen Mischungen verhielten sich die Substanzen meist synergistisch.

Auffällig war, dass wir auch eine starke Aktivität

der Mischungen aus vier oder acht Stoffen fanden, wenn

die Einzelstoffe der Mischung in Konzentrationen verwendet

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Abbildung 1A: Estrogene Aktivität von Benzophenon-1 und Benzophenon-2

und deren Mischung (BP1, BP2) | Abbildung 1B: Erwartete und gemessene

Aktivität von acht estrogenen UV-Filtern in einer Mischung.

wurden, bei der sie alleine keine messbare Aktivität zeigten

(Abbildung 1B).

Fazit

Die Studie zeigt, dass sich die Stoffe nicht nur addieren, sondern

dass sie synergistisch interagieren. Gegenwärtig untersuchen

wir, ob diese Effekte auch bei Fischen auftreten.

Solche Daten sind wichtig für die Risikobeurteilung dieser

Gebrauchschemikalien und geben den Unternehmen wertvolle

Informationen für die Weiterentwicklung ihrer Produkte.

Projektteam: Karl Fent, Petra Kunz, Christin Weisbrod,

Institut für Ecopreneurship, FHNW

Schlüsselwörter: Ökotoxikologie | Risikoanalyse

Projektkooperationen: H. Galicia, Springborn Smithers

Laboratories (Europe) AG | J. Pernthaler, Universität Zürich

Projektförderung: Schweizer Nationalfonds NFP50

Dauer: 2002 – 2007

Literatur:

– Kunz, P.Y., Fent, K. (2006): Estrogenic activity of UV filter

mixtures. Toxicology and Applied Pharmacology, 217,

p. 86 – 99.

– Kunz, P.Y., Fent, K. (2006): Multiple hormonal activities of

UV filters and comparison of in vivo and in vitro estrogenic

activity of ethyl 4-aminobenzoate in fish. Aquatic

Toxicology, 79(4), p. 305 – 324.

– Kunz, P.Y., Galicia, H.F., Fent, K. (2006): Comparison of in

vitro and in vivo estrogenic activity of UV filters in fish.

Toxicological Sciences, 90, p. 349 – 361.

– Kunz, P.Y., Gries, T., Fent, K. (2006): The ultraviolet filter

3-benzylidene camphor adversely affects reproduction in

fathead minnow (Pimephales promelas). Toxicological

Sciences, 93, p. 311– 321.

– Kunz, P.Y., Galicia, H.F., Fent, K. (2004): Assessment of

hormonal activity of UV filters in tadpoles of frog Xenopus

laevis at environmental concentrations. Marine

Environmental Research, 58, p. 431– 435.

– Weisbrod, C.J., Kunz, P.Y., Zenker, A.K., Fent, K. (2007):

Effects of the UV filter benzophenone-2 on fecundity and

reproduction in fish. Toxicology and Applied Pharmacology

(im Druck).


Silber / Silica-Nanopartikel als Additive für Polymere

mit antimikrobieller Wirkung

In dieser Forschungsarbeit werden die Eigenschaften von

polymeren Materialien mit Silica / Silber-Nanopartikeln als

Additive untersucht. Hauptaugenmerk liegt dabei auf der

kontrollierten Freisetzung von Silberionen sowie deren antimikrobieller

Wirkung. | Uwe Pieles, Institut für Chemie und

Bioanalytik

Neue Materialien mit hohem Potenzial

Von Silber ist seit langer Zeit bekannt, dass es in geringen

Konzentrationen eine effiziente antimikrobielle Wirkung entfaltet.

Deshalb ist Silber als Zusatz zu Materialien, die z.B. im

medizinischen Bereich eingesetzt werden, sehr interessant.

Es gibt bereits zahlreiche Beispiele und eine Reihe von Produkten.

Der Industriepartner dieses Projektes, die in Zürich ansässige

Start-up-Firma HeiQ Materials, ist auf die Herstellung

von Silber / Silica-Nanopartikeln mit neuartigen Eigenschaften

spezialisiert. Durch effiziente Prozesse wie die Flammsprühpyrolyse

(Abbildung 1A und 1B) gelingt mittlerweile

die Herstellung im Multitonnenmassstab. Die Partikel werden

verschiedenen Polymeren wie Polypropylen, Nylon und

PET zugesetzt, aus denen dann polymere Gewebe oder Kunststoffgegenstände

gefertigt werden.

In etlichen medizinisch relevanten Bereichen gibt es inzwischen

Sekundärinfektionen mit resistenten Keimen. Diesen

kann man nur wirksam begegnen, wenn ihre Ansiedlung verhindert

wird. Materialien, die kontrolliert Silber freisetzen,

sind dazu ideal. Weitere Einsatzbereiche sind im Bereich der

Sportbekleidung zu finden.

Da Silber / Silica-Nanopartikel eine einzigartige Struktur und

besondere chemische Eigenschaften besitzen, sind sie interessante

Additive für polymere Formulierungen. Die Partikel

bestehen aus wenigen Nanometer grossen Silberclustern, die

in eine poröse Silicamatrix eingebettet sind. Besonders die

kontrollierte Freisetzung und die teilweise durch das Silber

bedingte braune Farbe der Produkte sind die grössten Nachteile

der auf dem Markt befindlichen Produkte. Hier könnten

die neuen, auf Nanotechnologie beruhenden Additive Vorteile

bieten.

Wie wirksam sind Silber / Silca-Nanopartikel?

Im Rahmen des Projekts wird neben der Freisetzung von Silberionen

aus polymeren Materialien besonders die antimikrobielle

Wirkung auf verschiedene Mikroorganismen wie E.

Coli oder S. Aureus untersucht. Besonders S. Aureus ist ein

grosses Problem, weil es weit verbreitet und für viele Infektionen

verantwortlich ist.

Neben international standardisierten Tests kommen auch

neue Verfahren zum Einsatz. Diese basieren auf der Mikrokalorimetrie.

Dabei nutzt man die Tatsache, dass alle Mikroorganismen

beim Teilungsprozess Wärme freisetzen. Mit einem

Mikrokalorimeter kann somit das Bakterienwachstum

in Echtzeit gemessen werden. In Zusammenarbeit mit der

Universität Basel wird evaluiert, ob sich das Verfahren als

schnelle, empfindliche und für grosse Produktionsmengen

ausgelegte Methode eignet.

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Abbildung 1A: Schema der Flammpyrolyseapparatur | Abbildung 1B:

Flammpyrolyseprozess

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Aussichten und Entwicklungspotenzial

Erfolgreiche Tests zum Nachweis der antimikrobiellen Wirkung

konnten bereits durchgeführt werden. Die Silberfreisetzung

in verschiedenen Formulierungen wurde eingehend

untersucht, und die wesentlichen Einflussgrössen wurden

bestimmt. Die chemische Funktionalisierung der Partikelmatrix

wird derzeit in einem weiteren Teilprojekt erforscht.

Durch die gezielte Veränderung der chemischen Eigenschaften

möchte man die Verteilung der Partikel im Polymer beeinflussen.

So könnte die zugesetzte Partikelmenge verringert

und die Abgabe der Silberionen beeinflusst werden. Es

wurden bereits eine Reihe modifizierter Partikel hergestellt,

deren Verhalten derzeit untersucht wird.

Projektteam: Uwe Pieles, Marcus Waser, Amina Wirth,

Theo Bühler, Institut für Chemie und Bioanalytik, FHNW

Schlüsselwörter: Nanopartikel | Composite Materials |

Silber | Antimikrobielle Wirkung

Projektkooperationen: HeiQ Materials Ltd. | EMPA

St Gallen | Universität Basel | ETH Zürich | Institut INKA,

Hoch schule für Technik, FHNW

Projektförderung: KTI-Nr. 8337.1 | Firma HeiQ

Materials Ltd.

Dauer: 20072008


Hochschule für Life Sciences

Prozessanalytische Technologie (PAT) für die

Mahlung und Förderung pharmazeutischer Pulver

und Granulate

Ein wichtiger Trend in der Pharmazeutischen Industrie betrifft

den Einsatz von Technologien, welche eine kontinuierliche

Analytik der Herstellungsprozesse ermöglichen. Das

direkte Überwachen einzelner Produktionsschritte wird

von den Zulassungsbehörden stark unterstützt und führt

letztlich zu einer optimal kontrollierten und robusten Herstellung

von Arzneimitteln. Im aktuellen Projekt wird ein

innovatives Partikel-Messsystem in einer Konus- bzw. Hammermühle

untersucht. | Martin Kuentz, Institut für Pharma

Technology

Prozessanalytische Technologien für die Arzneimittelfertigung

der Zukunft

Die pharmazeutische Produktion befindet sich in einem Klima

des Wandels. Ein vorrangiges Ziel ist es, die Qualität von

Arzneimitteln nicht nur durch Endkontrollen zu erreichen,

sondern vor allem auch durch optimierte Herstellungsprozesse.

Hierfür ist ein kontinuierliches Überwachen der kritischen

Prozessparameter eine wichtige Voraussetzung, was

auch von den Zulassungsbehörden (v.a. Food and Drug Administration

(FDA), USA) mit Nachdruck unterstützt wird.

Für die Herstellung von Tabletten ist das Fördern und Mahlen

der pharmazeutischen Pulver und Granulate wesentlich. Im

aktuellen Projekt wird eine prozessanalytische Technologie

für Konus- und Hammermühlen untersucht. Das Monitoring

des Prozesses wird durch eine innovative Sensortechnologie

ermöglicht. Es werden optische Messsonden berücksichtigt,

welche sowohl die Partikelgrösse, als auch deren Form erkennen.

Geplante Aktivitäten und Ausblick

Bereits von früheren Untersuchungen ist bekannt, dass

ein «Blick in die Prozesse» nicht unproblematisch ist. Eine

schnelle Messmethode und Datenauswertung stellt lediglich

die erste Hürde dar. Die geschickte Dimensionierung und

Einbringung der Sonde sind wesentlich für aussagekräftige

Messungen. Je nach Material und Fluss kann es zu verschiedenen

Problemen der repräsentativen Partikelerkennung

kommen.

Der erste Teil des Projektes steht daher ganz im Zeichen der

Erstellung eines Prototyps, welcher eine prozessanalytische

Technik überhaupt ermöglicht. Mit dem entwickelten Gerät

sollen dann verschiedene pharmazeutische Granulate hergestellt

werden, um die Leistungsfähigkeit der neuen Technik

zu testen. Dabei werden auch typische Problemsituationen

der Grossherstellung berücksichtigt. Ein häufiges Defizit bei

der Produktion ist, dass kleine Metallsplitter oder Teile eines

Drahtgeflechtes in den Produktstrom gelangen. Die neue Prozesstechnik

kann hierbei ein effektives Instrument liefern, damit

solche Kontaminationen rechtzeitig vor der Herstellung

der Tabletten oder Kapseln erkannt werden. Weitere Optionen

der prozessanalytischen Technologie bestehen in der Rückmeldung

der Messresultate an die Stellgrössen des Prozesses.

So wäre es möglich, kritische Herstellungsbedingungen

schnell zu erkennen und automatisch korrigierend einzugreifen.

Neben diesen Vorteilen für die Produktion kann auch die

Prozessentwicklung von der Neuentwicklung profitieren.

In Zukunft könnten prozessanalytische Techniken zur Grundlage

eines modernen Qualitätsmanagements beitragen. Die

erhöhte Sicherheit bei der Produktion von Tabletten und

Kapseln kommt dabei nicht nur den pharmazeutischen Firmen

zugute, sondern letztlich auch den Patienten.

Projektteam: Martin Kuentz, Georg Imanidis, Martin

Cavegn, Institut für Pharma Technology, FHNW

Schlüsselwörter: Prozessanalytische Technologie

(PAT) | Partikelanalyse | Mahlung | Pharmazeutische

Technologie

Projektkooperationen: Frewitt SA Milling and Handling of

Powders, Freiburg | PS Prozesstechnik GmbH, Basel

Projektförderung: KTI-Nr. 9025.1 PFIW-IW

Dauer: 20072009

Literatur:

– Kuentz, M., Rothenhäusler, B., Roethlisberger, D. (2006):

Time Domain 1H NMR as a New Method to Monitor

Softening of Gelatin and HPMC Capsule Shells.

Drug Development and Industrial Pharmacy, 32(10),

p. 1165 –1173.

– Doherty, S.J., Kettler, C.N. (2006): On-line Applications

in the Pharmaceutical Industry. In: Bakeev, K.A. (Ed.):

Process Analytical Technology. 2nd ed., Blackwell

Publishing, Oxford.


Individualisierte Implantate aus dem 3D-Drucker

Weiterentwickelte Rapid-Prototyping-Verfahren eröffnen

neue Anwendungen im Bereich der Implantatfertigung.

Die Koppelung mit medizinischen Bilddaten und deren 3D-

Visualisierung ermöglicht es in Zukunft, auf Patientinnen

und Patienten zugeschnittene individuelle Knochenimplantate

zu fertigen. | Ralf Schumacher, Institut für Medizinal-

und Analysetechnologie

«Gold Standard»

Der Bedarf an individuell zugeschnittenen Implantaten als

Knochenersatz ist vielfältig. Tumorentfernungen, Splitterbrüche,

altersbedingte Degenerationen und Missbildungen können

zu Fehlstellen führen, die durch passgenaue Im plantate

überbrückt werden müssen. Als «Gold Standard» gelten dabei

die autologen Transplantate. Dafür werden Knochensegmente

aus dem Körper der Patienten – etwa aus dem Schädeldach,

dem Beckenkamm oder aus einer Rippe – entfernt und passend

geformt. Danach werden sie an anderer Stelle wieder

implantiert. Abstossungsreaktionen können so nahezu ausgeschlossen

werden. Dennoch verbleiben Restrisiken durch

zusätzliche chirurgische Eingriffe, und an den Entnahmestellen

kann es zu Fehlfunktionen kommen.

Als Alternative bieten sich künstliche Knochenstrukturen an.

Idealerweise bestehen diese aus knochenähnlichen Materialien,

so genannten Biokeramiken. Diese können jedoch momentan

noch nicht in ausreichender Qualität und Festigkeit

hergestellt werden. Andere etablierte Implantatmaterialien

bestehen aus speziellen Metalllegierungen. Obwohl diese gut

körperverträglich sind und auch langfristig im Körper verbleiben

können, sind sie Fremdkörper und müssen bei Komplikationen

entfernt oder ersetzt werden.

Herstellung komplexer Geometrien

Da die Formgestaltung von individuellen Knochenersatzimplantaten

komplex ausfallen kann, sind herkömmliche

spanabtragende Herstellverfahren wie Drehen oder Fräsen

oft nicht anwendbar. Für technische Anwendungen wird nun

seit rund zwanzig Jahren das so genannte Rapid Prototyping

(RP) für den Aufbau von komplexen Strukturen verwendet.

Damit können durch Verfestigungsprozesse im Schichtaufbau

innert Stunden Bauteile aus Kunststoffen und Metallen

gebaut werden.

Am Institut für Medizinal- und Analysetechnologie besteht

der Forschungsschwerpunkt «Intelligente Implantate», in

welchem u.a. mit RP an individuellen Knochenersatzimplantaten

geforscht wird. Grundlage ist dabei die neu entwickelte

Selective-Laser-Melting-Technologie, welche mittels Laserenergie

in Schichten aus feinstem Metallpulver Strukturen aufbauen

kann. Das Pulver wird dabei auf Schmelztemperatur

gebracht, weshalb die Verbindung über alle Schichten ausserordentlich

fest ausfällt. Im Rahmen des Projekts wird diese

neue Technologie nun in Kooperation mit der Hochschule

für Technik der FHNW eingehend untersucht. Dabei werden

die Festigkeit, die Formveränderung, die Wärmebehandlung

und die Erprobung alternativer Materialien studiert.

Beispiel von individuellen Implantaten. (Bild: HLS)

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Erste Resultate

Die ersten Resultate aus Zugversuchen sind vielversprechend.

Die Zugfestigkeit der RP-Probestäbchen liegt deutlich

über der maximalen Belastbarkeit von Referenzproben aus

demselben Material. Die Bruchdehnung hingegen liegt noch

unterhalb der Referenz. Es ist davon auszugehen, dass eine

gezielte Wärmebehandlung der RP-Bauteile die Bruchdehnung

erhöht – jedoch auf Kosten der Zugfestigkeit. Messungen

dazu sind im Gange. Einfache Studien der Masshaltigkeit

und der Formabweichung sind ebenfalls Erfolg versprechend.

So liegt die Masshaltigkeit von Probekörpern mit Abmessungen

um 20 Millimeter in den drei Raumrichtungen im Bereich

von 0,05 Millimeter.

Projektteam: Ralf Schumacher, Erik Schkommodau,

Uwe Pieles, Institut für Medizinal- und Analysetechnologie,

FHNW | Urs Wüst, Philippe Cachot, Hochschule für Technik,

FHNW

Schlüsselwörter: Individuelle Implantate | Rapid Prototyping

| Selective Laser Melting

Projektkooperationen: MCP-HEK GmbH, Lübeck (DE)

Projektförderung: FHNW Forschungsfonds

Dauer: 20072008

Literatur:

– Schumacher, R., Kunz, C., Zeilhofer, H. F., Schkommodau, E.

(2006): Kraniofaciale Tumorentfernung mit Unterstützung

von Rapid Prototyping. Vortrag an der Biomedizinischen

Dreiländertagung, ETH Zürich.

– Schumacher, R., Kunz, C. (2006): From Dicom to Outcome.

Vortrag am 2. Bernd Spiessl Symposium, Basel.

– Lambrecht, J. T., Schumacher, R., Berndt, D., Zehnder, M.

(2007): First experiences to generate three dimensional

models based on digital volumetric data. Vortrag CARS,

Berlin.

– Markl M., Schumacher R., Küffer, J., Bley, T., Hennig, J.

(2005): Rapid vessel prototyping: Vascular modeling using

3T magnetic resonance angiography and rapid prototyping

technology. Magma 18, p. 288 – 292.

– Kalbermatten D.F., Haug, M., Schumacher, R., Messmer, P.,

Pierer, G. (2004): Computer aided designed neo-clavicle

out of osteotomized free fibula: case report. British

Association of Plastic Surgeons, 57, p. 668 – 672.


Hochschule für Life Sciences

Reduktion von Treibhausgasen in Jordanien

Im Rahmen einer Kooperation mit der jordanischen Royal

Scientific Society werden am Beispiel der Düngemittelherstellung

erstmals in Jordanien die Cleaner Development Mechanism

zur Reduktion von Treibhausgasemissionen in einem

Industriebetrieb angewandt. | Christian Buser, Dieter

Mutz, Institut für Ecopreneurship

Umweltschutz in Jordanien

Seit Juli 2003 unterstützt das Institut für Ecopreneurship

(IEC) im Auftrag des Staatssekretariats für Wirtschaft (seco)

die Royal Scientific Society (RSS) in Jordanien bei der Realisierung

von Massnahmen zum Umweltschutz. Die RSS ist

eine finanziell und politisch unabhängige Forschungseinrichtung

mit angewandter Umweltforschung als thematischem

Schwerpunkt. Konzentrierte sich die Arbeit unserer Projektpartnerin

in der Vergangenheit auf den nachsorgenden Umweltschutz

(Abwasserreinigung, Abluftreinigung), wird dem

präventiven Umweltschutz künftig mehr Gewicht beigemessen.

Im Zentrum der Unterstützung durch das IEC steht die

Vermittlung von Wissen zu Cleaner Production (CP) und die

Umsetzung von Massnahmen zur Ressourcenoptimierung

und Reduktion der Umweltbelastung. Hierfür werden in ausgewählten

Firmen die Prozesse auf ihr CP-Potenzial analysiert,

angepasste Verbesserungsmassnahmen ausgearbeitet

und implementiert. Erfahrungen der ersten Jahre haben gezeigt,

dass das grösste Umwelt- und Finanzpotenzial in den

Bereichen Energie, Wasser und Abfall besteht. Erfahrungen

haben auch gezeigt, dass die rechtlichen und wirtschaftlichen

Rahmenbedingungen eine wichtige Rolle einnehmen.

Ein gelungenes Beispiel ist die Kooperation mit der Firma

Kempaco.

Das Beispiel Kempaco

Die Kemira Arab Potash Company (Kempaco) ist einer der

grössten Düngerhersteller im Nahen Osten. Sie stellt in ihrem

Werk in Aqaba, Südjordanien, aus Phosphatgestein, Salpetersäure,

Kaliumchlorid und Kalk mittels eines weltweit

einzigartigen Ionenaustauscher-Prozesses Kalziumphosphat

und Kaliumnitrat her.

In einem ersten Schritt wurde bei Kempaco ein CP- und

Umweltaudit durchgeführt. Dabei wurde die Salpetersäureherstellungsanlage

als grosser Treibhausgasemittent identifiziert.

Durch die Oxidation von Ammoniak mit Sauerstoff

entstehen neben der Salpetersäure auch Distickstoffoxid

(N 2O). Das unter dem Trivialnamen Lachgas bekannte N 2O

hat eine etwa 300-fach stärkere Treibhausgaswirkung als

CO 2. Die vertiefte Studie der Abgaswerte zeigte, dass jährlich

ungefähr 150'000 Tonnen CO 2-Äquivalente in Form von Lachgas

ausgestossen werden, welche durch den Einbau eines

zusätzlichen Katalysatorbettes in die bestehende Abgasreinigung

in Stickstoff und Sauerstoff zerlegt werden könnten.

Das hohe Reduktionspotenzial stellt eine vorteilhafte Ausgangslage

zur Realisierung eines CDM-Vorhabens (Clean Development

Mechanism) im Rahmen des Kyoto-Protokolls dar.

Eine Project-Idea-Note wurde erstellt und vom jordanischen

Umweltministerium genehmigt. Im nächsten Schritt wird

Düngemittelherstellung Kempaco (Bild: Christian Buser)

nun, gemeinsam mit der RSS und einer auf Emissionshandel

spezialisierten Firma, ein Project-Design-Document für eine

vertiefte Projektstudie ausgearbeitet. Die internationale Ausschreibung

dazu ist angelaufen.

Ausblick

Aufgrund der erzielten Projekterfolge hat das seco im Juli

2007 der Fortsetzung der Zusammenarbeit um weitere 2,5

Jahre zugestimmt. Schwerpunkte der Kooperation bilden neben

der Vertiefung von CP und CDM das chemische Risikomanagement,

das Umweltauditing und die Ökobilanzierung.

Projektteam: Dieter Mutz, Christian Buser, Cornelia Wolf,

René Bäbler, Institut für Ecopreneurship, FHNW

Schlüsselwörter: CO 2-Reduktion | Clean Development

Mechanism | Cleaner Production | Düngerherstellung

Projektkooperationen: Bassam Hayek, Mohammed Mussa,

Royal Scientific Society, Amman (JO)

Projektförderung: Staatssekretariat für Wirtschaft (seco)

Dauer: 2003 – 2007: Phase 1,

20072009: Phase 2, in Planung

CDM – Clean Development Mechanism

CDM ist einer der im Rahmen des Kyoto-Protokolls international

vereinbarten flexiblen Mechanismen zur weltweiten

Reduktion von Treibhausgasemissionen.

CDM ist ein projektbasiertes Instrument, welches die Umsetzung

von Vorhaben zur Minderung von Treibhausgasemissionen

in Entwicklungsländern finanziell fördert. Industrieländer

erwerben Emissionszertifikate zu marktbedingten

Preisen und könnten so dazu beitragen ihre international

vereinbarten Reduktionsziele zu erreichen. Für die Schweiz

spielt das CDM zur Erreichung ihrer international vereinbarten

CO 2-Reduktion eine wichtige Rolle.

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