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Thema heute:    Volvo Luftqualitätssystem für saubere Luft im Innenraum Foto: Volvo Car Germany GmbH In einem neuen Volvo können die Insassen befreit durchatmen: Der schwedische Premium-Automobilhersteller bietet in seinen größeren Modellreihen auf Basis der skalierbaren Produkt-Architektur (SPA) ein erweitertes CleanZone Luftqualitätssystem an, das die Luft reinigt und so für ein sauberes und gesundes Klima im Innenraum sorgt. Das für die Volvo 60er und 90er Baureihen optional erhältliche System filtert Feinstaub nach dem strengen Luftqualitätsstandard PM2,5.  Dank eines Filters auf Kunstfaserbasis und Ionisierung werden bis zu 95 Prozent der mikroskopisch kleinen Feinstaubpartikel der Partikelgröße PM2,5 aus der Luft herausgefiltert, bevor sie in die Fahrgastzelle gelangen. Deren aerodynamischer Durchmesser ist kleiner als 2,5 Mikrometer und deshalb besonders gefährlich. Foto: Volvo Car Germany GmbH In vielen Städten und Metropolregionen weltweit liegt die Feinstaubbelastung über den von der Weltgesundheitsorganisation empfohlenen Werten, weshalb es umso wichtiger ist, die Auswirkungen dieser Feinstaubbelastung zu minimieren. In China, wo PM2,5-Messungen und damit verbundene Informationsdienste gut etabliert sind, können Volvo Fahrer die Luftqualität in der Kabine mit der außerhalb des Fahrzeugs vergleichen. Negative Folgen für die Gesundheit werden minimiert Das erweiterte CleanZone Luftqualitätssystem optimiert die Luftqualität und minimiert die durch Luftverschmutzung und Feinstaubpartikel bedingten Folgen auf die Gesundheit. Ein Partikelsensor überwacht dabei permanent die einströmende Luft auf gesundheitsschädliche Substanzen. Wird ein besonders hoher Anteil gemessen, werden die Lüftungsdüsen des Fahrzeugs automatisch geschlossen. Foto: Volvo Car Germany GmbH Über die Volvo on Call App soll der Nutzer in Zukunft nicht nur den aktuellen PM2,5-Wert im Interieur abfragen können, sondern auch die Innenraumluft reinigen lassen – bequem vor Fahrtantritt vom Frühstücks- oder Schreibtisch aus. Luftreinigung ein Teil eines ganzheitlichen Ansatzes Die Luftreinigung ist dabei allerdings nur ein Teil der Volvo Bestrebungen. Der schwedische Premium-Automobilhersteller arbeitet schon seit längerem daran, die Emissionen organischer Substanzen aus dem Fahrzeuginneren zu entfernen und die Menge allergieauslösender Materialien im Innenraum immer weiter zu verringern. Auch für Zulieferer gelten deshalb strenge Richtlinien, um die Entstehung und Emission von Gerüchen zu minimieren, die von den im Innenraum verwendeten Teilen und Materialien herrühren. Das Unternehmen arbeitet auch eng mit einer Vielzahl von Universitäten und anderen Instituten zusammen, die sich in Projekten der Materialverwendung widmen. Diesen Beitrag können Sie nachhören oder downloaden unter:

Der ATVISIO Award 2017 geht an den global agierenden Maschinen- und Anlagenhersteller HOSOKAWA ALPINE. Mit der Auszeichnung prämiert der Business-Intelligence Spezialist ATVISIO das beispielhafte Finanzreporting des Unternehmens sowie den Einsatz ausgeklügelter Datenbankanalysen. Bei der Ermittlung seiner komplexen Kosten- und Ergebnisrechnung setzt HOSOKAWA ALPINE auf die leistungsstarke Business Intelligence-Suite Jedox. Pharmazeutika, Kosmetika, Lebensmittel – in vielen Industrien müssen Rohstoffe zerkleinert werden. HOSOKAWA ALPINE liefert die passende Verfahrenstechnik, um Granulate und Pulver nach exakt definierten Anforderungen herzustellen – und das bis zu einer Partikelgröße im Nanobereich. Ebenso stark gefragt ist das Know-how des Unternehmens bei der Produktion von Hightech-Folien mittels Extrusionstechnik. Hier leistet HOSOKAWA ALPINE mit seinen patentierten Verfahren Außergewöhnliches bei der Entwicklung von Anlagen und Steuerungstechnik. HOSOKAWA ALPINE hat sich in gleich zwei Geschäftsbereichen als Technologieführer etabliert. Bei der Weiterentwicklung seines Controllings stand das Unternehmen nun vor der Aufgabe, die Zahlen der beiden verzahnten Geschäftsbereiche mit Hilfe einer detaillierten Kosten- und Sparten-Ergebnisrechnung zu einem aussagekräftigen Reporting-Paket zu schnüren. Experten-Unterstützung bringt den Durchbruch HOSOKAWA ALPINE hatte sich zunächst für SAP und Excel entschieden, um in das Projekt einzusteigen. Doch erst mit der Business Intelligence-Suite Jedox gelang es, das Controlling in die gewünschten Bahnen zu lenken. ATVISIO hat das Unternehmen bei der Neuausrichtung des Projektes von Beginn an beratend unterstützt. Ein strukturierter und neutraler Auswahlworkshop erlaubte, das geeignete Werkzeug in nur wenigen Tagen zielsicher zu identifizieren und langwierige Evaluierungsprozesse zu vermeiden. „Letztendlich hat die Unterstützung eines externen Spezialisten dem Projekt zum Durchbruch verholfen. Der kompakte Auswahlprozess anhand von definierten Parametern beschleunigte die Entscheidung für Jedox um ein Vielfaches. Wir haben nun die Sicherheit, mit einer langfristig tragfähigen Lösung zu arbeiten“, so Matthias Matzka, Leiter Rechnungswesen bei HOSOKAWA ALPINE. BI-Suite Jedox glänzt durch Flexibilität Begeistert zeigte sich die ATVISIO-Jury vor allen von der souveränen Herangehensweise des Unternehmens. Das interne Projektteam hatte sich zügig auf ein pragmatisches Set an Regeln geeinigt, um die Kosten der beiden Sparten aufzuschlüsseln. Und das BI-Werkzeug Jedox bewies einmal wieder seine Stärken bei der flexiblen, transparenten Handhabung solcher Regeln. Ein weiterer Vorteil: Auch mit Jedox kann die bestehende Excel-Umgebung weiterhin problemlos genutzt werden. „Projektteams geraten bei vergleichbaren Vorhaben nur allzu leicht in Versuchung, sich in der Vielzahl möglicher Messgrößen für die Kostenberechnung zu verlieren“, so Maximilian Anger von ATVISIO. „HOSOKAWA ALPINE hat äußerst viel Fingerspitzengefühl aber auch Pragmatismus bewiesen – und hatte jederzeit klare Vorstellungen, wohin es gehen sollte. Bereits dieses hohe Maß an Stringenz hat den ATVISIO Award verdient.“ ATVISIO hat HOSOKAWA ALPINE bei der Implementierung der BI-Suite Jedox bis zum erfolgreichen Go-Live kontinuierlich begleitet. Das Projekt liefert bereits hervorragende Ergebnisse und das unternehmensinterne Projektteam ist bestens darauf vorbereitet, das Berichtswesen nach eigenen Anforderungen weiter auszubauen und zu verfeinern. ----------------------------- Der Performance Manager Podcast ist der erste deutschsprachige Podcast für Business Intelligence und Performance Management. Controller und CFO erhalten hier Inspirationen, Know-how und Impulse für die berufliche und persönliche Weiterentwicklung. Weitere Informationen zu den Machern des Performance Manager Podcast, Peter Bluhm und Alexander Küpper, finden Sie hier: http://bit.ly/2u11IW5 Unsere Bitte: Wenn Ihnen diese Folge gefallen hat, hinterlassen Sie uns bitte eine 5-Sterne-Bewertung, ein Feedback auf iTunes und abonnieren diesen Podcast. Zeitinvestition: Maximal ein bis zwei Minuten. Dadurch helfen Sie uns, den Podcast immer weiter zu verbessern und Ihnen die Inhalte zu liefern, die Sie sich wünschen. Herzlichen Dank an dieser Stelle! Sie sind ein Fan von unserem Podcast? Sie finden uns auch auf diesen Kanälen: Facebook: https://www.facebook.com/ATVISIO/ Twitter: https://twitter.com/atvisio Instagram: https://www.instagram.com/performancemanagerpodcast/ Xing: https://www.xing.com/profile/Peter_Bluhm Xing: https://www.xing.com/profile/Alexander_Kuepper/ iTunes: https://itunes.apple.com/de/podcast/der-performance-manager-podcast/id1202698232?mt=2 Soundcloud: https://soundcloud.com/atvisio Webseite: https://atvisio.de/pm-podcast

Thomas Henn hat im Oktober 2016 seine Promotion zum Thema Computersimulation von Partikelströmungen abgeschlossen. Partikelströmungen treten in zahlreichen natürlichen sowie künstlichen Vorgängen auf, beispielsweise als Transport von Feinstaub in den menschlichen Atemwegen, als Bildung von Sediment in Flüssen oder als Feststoff–Fluid Gemisch bei Filtrationen. Simulationen von Partikelströmungen kommen zum Einsatz, wenn physische Untersuchungen nicht möglich sind. Darüber hinaus können sie Kosten experimenteller Studien verringern. Häufig ist das der Fall, wenn es um medizinische Anwendungen geht. Wenn man beispielsweise aus CT-Aufnahmen die genaue Geometrie des Naseninnenraums eines Patienten kennt, kann durch Simulation in dieser spezifischen Geometrie ermittelt werden, wo sich Partikel welcher Größe ablagern. Das ist in zwei Richtungen interessant: Erstens zur Vermeidung von Gesundheitsbelastungen durch Einlagerung von Partikeln in der Lunge (dort landen alle Partikel, die die Nase nicht filtern kann) aber zweitens auch bei der bestmöglichen Verabreichung von Medikamenten mittels Zerstäubung in die Nasenhöhle. Es hat sich gezeigt, dass die Simulation von Strömungen mit einer großen Zahl an beliebig geformten Partikeln den herkömmlichen numerischen Methoden insbesondere bei der Parallelisierung Probleme bereitet. Deshalb wird die Lattice Boltzmann Methode (LBM) als neues Verfahren zur numerischen Simulation von Strömungen auf Partikelströmungen angewendet. Sie hat außerdem den Vorteil, dass komplexe Geometrien wie z.B. ein Naseninnenraum keine extra zu bewältigende Schwierigkeit darstellen. Die zentrale Idee für die effektive Parallelisierung unter LBM ist eine Gebietszerlegung: Die durchströmte Geometrie wird in Zellen aufgeteilt und diese Zellen gerecht auf die zur Verfügung stehenden Prozessoren verteilt. Da die Rechnungen für die Strömungsrechnung mit LBM im wesentlichen lokal sind (es werden nur die Informationen einer Zelle und der direkten Nachbarzellen benötigt), ist das extrem effektiv. Wenn nun neben der Strömung auch noch die Bewegung der Partikel berechnet werden soll, müssen natürlich physikalische Bewegungsmodelle gefunden werden, die für die jeweilige Partikelgröße und -form passen, daraus Gleichungen und deren Diskretisierung abgeleitet werden in der Implementierung die Vorteile der LBM bei der Parallelisierung möglichst nicht zerstört werden. Offensichtlich ist es am besten, wenn die Partikel möglichst gleichmäßig über die durchströmte Geometrie verteilt sind. Aber das kann man sich ja nicht immer so aussuchen. Je nach Größe und Dichte der Partikel wird es wichtig, neben der Wirkung des Fluids auf die Partikel auch Rückwirkung des Partikels auf die Strömung, Wechselwirkung der Partikel untereinander (z.B. auch herausfinden, wann sich Partikel berühren) Wechselwirkung der Partikel mit dem Rand der Geometriezu betrachten. Als sehr hilfreich hat sich eine ganz neue Idee herausgestellt: Partikelströmungen als bewegtes poröses Medium zu modellieren. D.h. für große Partikel stellt man sich vor, sie haben einen festen Kern und außen einen glatten Übergang in der Porösität zur reinen Fluidphase. Es zeigt sich, dass man dann sogar auf ein Modell verzichten kann, das die Kontakte der Partikel modelliert, weil sich die Partikel so natürlich in der Strömung bewegen, wie man es auch im Experiment beobachtet. Alle Berechnungen müssen validiert werden, auch wenn manchmal nicht ganz klar ist, wie das erfolgen kann. Zum Glück ist hier aber die enge Zusammenarbeit mit der Verfahrenstechnik am KIT eine große Hilfe, die die Computersimulationswerkzeuge auch für ihre Projekte nutzen und weiter entwickeln. Literatur und weiterführende Informationen L.L.X. Augusto: Filters, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 112, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. http://modellansatz.de/filters OpenLB Open source Lattice Boltzmann Code F. Bülow: Numerical simulation of destabilizing heterogeneous suspensions at vanishing Reynolds numbers. Karlsruhe, 2015. T. Henn et al.: Particle Flow Simulations with Homogenised Lattice Boltzmann Methods. To appear in Particuology. F. Klemens: Simulation of Fluid-Particle Dynamics with a Porous Media Lattice Boltzmann Method, MA thesis. Karlsruher Institut für Technologie, 2016. E. E. Michaelides: Particles, Bubbles & Drops: Their Motion, Heat and Mass Transfer, World Scientific Publishing Company Incorporated, 2006. T.Henn: Aorta Challenge, Gespräch mit S. Ritterbusch im Modellansatz Podcast, Folge 2, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2013. http://modellansatz.de/aorta-challenge

Der Beitrag der Luftfahrt am gesamten anthropogenen Strahlungsantrieb beträgt 3-8 %. Mit steigendem Luftverkehrsaufkommen um etwa 5 % jährlich wächst dieser Beitrag stetig an. Kondensstreifenzirren machen den größten Anteil an der Klimawirkung des Luftverkehrs aus. Die Ergebnisse der bisherigen Studien sind aber noch mit großen Unsicherheiten versehen. Mit dem Ziel einer realistischeren Darstellung von Kondensstreifenzirren und genaueren Validierungsmöglichkeiten der Kondensstreifenzirren-Parametrisierung im Klimamodell wird in dieser Arbeit die Parametrisierung der mikrophysikalischen und optischen Eigenschaften von Kondensstreifenzirren, welche einen großen Einfluss auf deren Klimawirksamkeit haben, verbessert. Als Vorarbeit musste das im Klimamodell ECHAM5 verwendete Zwei-Momenten-Schema für natürliche Wolken in Bezug auf die Konsistenz der Mikrophysik mit einem fraktionellen Bedeckungsgradschema modifiziert werden. Zudem wurde die Nukleationsparametrisierung um den Einfluss durch präexistierendes Eis erweitert. Die für ECHAM4 entwickelte Kondensstreifenzirren-Parametrisierung wurde in ECHAM5 übertragen und um das Zwei- Momenten-Schema erweitert. Neben dem Eiswassergehalt wird damit auch die Eispartikelanzahldichte im Modell prognostiziert. Folglich kann die mittlere Eispartikelgröße bestimmt werden. Es stellte sich heraus, dass genaue Informationen über die Ausdehnung des Volumens der Kondensstreifenzirren wichtig für die Darstellung der mikrophysikalischen und optischen Eigenschaften der Kondensstreifenzirren sind. Der Einfluss von Diffusion und Sedimentation auf die Vergrößerung des Volumens der Kondensstreifenzirren wurde im Modell parametrisiert. Das Ergebnis zeigt eine ähnliche globale Verteilung der Kondensstreifenzirren wie in der Studie mit ECHAM4. Die Bedeckungsgrade sind jedoch höher, zeigen aber im Vergleich mit Satellitendaten gute Übereinstimmungen. Die optische Dicke orientiert sich einerseits an der Höhe des Eiswassergehalts. Beide zeigen Maxima in den Tropen, wo die Menge des kondensierbaren Wasserdampfs hoch ist. Andererseits orientiert sich die globale Verteilung der mikrophysikalischen und optischen Eigenschaften, anders als in früheren Studien, stark an der Flugverkehrsdichte. Durch häufige Bildung von Eispartikeln in den Hauptfluggebieten bleibt die Eispartikelanzahldichte groß und die mittlere Partikelgröße klein. Folglich ist die optische Dicke in diesen Gebieten durch die Berücksichtigung der Eispartikelanzahldichte höher als in früheren Studien. Wenn man, wie in früheren Studien, das Strahlungschema mit einer Beschränkung auf größere Eispartikel anwendet, ist der Strahlungsantrieb mit 29 mW/m2 im Vergleich zur vorangegangenen Studie in ECHAM4 etwas geringer. Emittierte Rußpartikel aus den Flugzeugtriebwerken stellen eine dominierende Quelle der Eispartikel in Kondensstreifenzirren dar. Die erweiterte Parametrisierung von Kondensstreifenzirren im Modell ist Voraussetzung für eine Studie über den Einfluss einer Rußemissionsänderung auf den Strahlungsantrieb von Kondensstreifenzirren. Bei einer angenommenen Reduzierung der initialen Eispartikelanzahldichte um 80 % werden die Eispartikel größer und die optische Dicke kleiner. Der Bedeckungsgrad der sichtbaren Kondensstreifenzirren veringert sich um mehr als die Hälfte, jedoch wurde die Vermutung, dass sich die Lebensdauer der Kondensstreifenzirren durch die Bildung größerer Eispartikel verkürzt, nicht bestätigt.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Effekt einer Zahnbehandlung auf die scheinbare Gesamtverdaulichkeit der Ration bei neun adulten Warmblutpferden (Alter 5 bis 15 Jahre) mit moderater Zahnpathologie bestimmt. Die Zahnbefunde umfassten Exsuperantien an den Prämolaren und Molaren und daraus resultierende Schleimhautläsionen, gering ausgeprägtes Treppen- oder Wellengebiss, persistierende Milchzähne und milden Überbiss. Die Probanden zeigten keine offensichtlichen Probleme bei der Futteraufnahme und waren klinisch gesund. Außerdem wurde die Partikelgröße vor und nach Behandlung verglichen und die maximale Raufutteraufnahme ermittelt. Die scheinbare Verdaulichkeit (sV) wurde mittels zwei Verdauungsversuchen (vor und nach Behandlung) bestimmt. Die Kotpartikelgröße wurde mittels Nasssiebung gemessen. Ein Durchgang bestand aus drei Tagen Adaptation und drei Tagen Kollektion. In einem Vorversuch wurde jeweils eine dreitägige ad libitum Fütterung von Raufutter durchgeführt. Der zweite Durchgang fand 25 Tage nach der Zahnbehandlung statt. Im Gegensatz zu bisherigen Studien wurde in dem vorliegendem Versuchskonzept darauf geachtet, dass das Raufutter-Kraftfutter-Verhältniss über beide Versuchsphasen konstant war. So konnte verhindert werden, dass Pferde eventuell nach der Zahnkorrektur mehr Heu aufnahmen und somit die Verdaulichkeit der Ration sinkt. Außerdem wurde ein Vorher-Nachher Design gewählt, um eine Verschleierung der Effekte durch individuelle Unterschiede auszuschließen. Ergebnisse: Nach der Zahnbehandlung verbesserte sich die scheinbare Verdaulichkeit der Trockensubstanz (TS), Energie, Rohfaser und N-freien Extraktstoffe (NfE) signifikant. Sieben der neun Tiere zeigten nach der Behandlung höhere Verdaulichkeiten dieser Nährstoffe. Die Verbesserung war besonders deutlich bei Pferden, die mehr Trockensubstanz über Kraftfutter (>3g/kg Körpergewicht (KGW)/Tag) aufnahmen. Ein Zusammenhang der Verbesserung mit bestimmten Zahnproblemen konnte nicht ermittelt werden. Die scheinbare Verdaulichkeit des Rohprotein wurde durch die Zahnbehandlung nicht beeinflusst. Veränderungen in der Größe der Kotpartikel vor und nach der Zahnbehandlung konnten in dieser Studie nicht erfasst werden. Die Kotpartikelgrößen zeigten sich abhängig vom Individuum. Die ad libitum Raufutteraufnahme vor und nach Zahnbehandlung zeigt keine signifikanten Unterschiede. Die Aufnahme ist individuell unterschiedlich zwischen 11 und 22g TS/kg KGW/d (Mittelwert: 17 ± 3g TS/kg KGW/d) vor Behandlung und 8 - 26g TS/kg KGW/d (Mittelwert: 17 ± 4g TS/kg KGW/d) nach Behandlung. Über die drei Tage, vor und nach Behandlung, waren die Aufnahmen der einzelnen Tiere ähnlich. Ein Zusammenhang zur angebotenen Kraftfuttermenge und der ad libitum Heuaufnahme wurde nicht beobachtet.

In der Endoprothetik sind Abriebpartikel von Polyethylen-Inlays ursächlich für aseptische Prothesenlockerungen und damit für die Limitierung der „Standzeiten“ dieser Prothesen verantwortlich. In der Hüftgelenkendoprothetik finden zunehmend, im Gegensatz zur Knieendoprothetik, Inlays aus quervernetztem Polyethylen klinische Anwendung. Die Zurückhaltung beruht im Allgemeinen auf der Angst vor frühzeitigem Materialversagen bei nicht ausreichend evaluierten biomechanischen Testungen. Die Entwicklung dieser neuen Materialien war Anlass, drei bikondyläre fixed-bearing Knieoberflächenersatzprothesen mit unterschiedlichen Polyethyleninlays in Simulatorversuchen zu testen. Bei zwei dieser Prothesen bestehen die dazugehörigen Inlays aus hochvernetztem Polyethylen (XPE X3™ vom Modell Scorpio® der Fa. Stryker und XPE Durasul™ vom Modell Natural Knee II® der Fa. Zimmer). Als Vergleich diente die Kniegelenkprothese Natural Knee II® mit dem konventionellem Polyethyleninlay (PE GUR 1050) der Fa. Zimmer. Im Vorfeld waren diese Modelle bereits im Rahmen einer anderen Untersuchung mechanisch und tribologisch getestet worden. Die Separation und Analyse der Polyethylenpartikel hinsichtlich Größe, Morphologie und Anzahl waren Zielparameter dieser Arbeit. Diese Auswertung erscheint wesentlich vor dem Hintergrund, da in vorausgegangenen Studien gezeigt werden konnte, dass diese Parameter einen entscheidenden Einfluss auf das Ausmaß der biologischen Reaktion haben, welche letzten Endes in eine Osteolyse mündet, die dann die aseptische Prothesenlockerung nach sich zieht. Sämtliche Untersuchungen wurden unter identischen Voraussetzungen durchgeführt. Zur Erzeugung des Polyethylen-Abriebes dienten Kniesimulatoren vom Typ Stallforth/Ungethüm. Nach Separation der Partikel aus dem Testmedium der vorausgegangenen Simulatorversuche mit Hilfe der Säuredigestion, wurden die separierten Abriebpartikel auf einem Nano-Porenfilter abfiltriert und nach einer Goldbeschichtung des Filters elektronenmikroskopisch untersucht. Von jedem Filter wurden 20 randomisierte, nicht überlappende Bilder bei einer 5’000-10’000-fachen Vergrößerung angefertigt. Die gespeicherten Bilder wurden anschließend mit Hilfe einer Fotoanalysesoftware mit Graustufenerkennung digital ausgewertet und die Partikel nach Größe und Morphologieparametern kategorisiert. Die Partikelanzahl wurde nach einer eigens hierfür entwickelten Formel errechnet. Diese ermittelt sich aus dem hochgerechneten Volumen der Partikel und dem gravimetrischen/volumetrischen Abrieb des Inlays selbst. Das Partikelspektrum ergab bei allen drei Materialkombinationen rundliche, granuläre und nur wenig fibrilläre Partikel. Insgesamt zeigten die Abriebpartikel der XPE-Inlays X3™ und Durasul™ einen gering höheren Anteil runder und granulärer Abriebpartikel im Vergleich zum herkömmlichen UHMWPE. Das Partikelgrößenspektrum zeigte annähernd gleiche Werte für alle drei Gruppen. Lediglich die Partikel beim XPE X3™-Inlay waren im Nanometerbereich kleiner (p < 0,05). Eine Änderung der Partikelgröße und –Morphologie aller drei Gruppen während der 5'000'000 Zyklen war ebenfalls im Nanometerbereich nachweisbar, jedoch ergaben sich keine deutlichen Ergebnisveränderungen über den gesamten Zeitraum. Der größte Unterschied aller drei untersuchten Materialkombinationen ergab sich im Hinblick auf die Partikelanzahl der XPE- und UHMWPE -Inlays. So ergab sich für Stryker X3™ eine Anzahl von 25,3 Mrd. Partikeln/Mio. Zyklen, für Zimmer Durasul™ 46 Mrd. und für Zimmer GUR 1050 204,4 Mrd. Partikel. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Verwendung von XPE als Werkstoff bei Knieprotheseninlays zu geringfügig kleineren Partikeln, vor allem aber zu einer deutlichen Reduktion der Abriebpartikel führt. Im Hinblick auf die potentielle inflammatorische Aktivität könnten die Partikel beim Modell Scorpio® (Fa. Stryker) mit dem Inlay X3™, aufgrund der stark reduzierten Partikelanzahl bei nur geringfügig kleineren Partikeln (im Nanometerbereich), zu einer erniedrigten biologischen Aktivität in vivo führen. Die Abriebpartikel beim Modell Natural Knee II® (Fa. Zimmer) mit dem Inlay Durasul™ zeigten ebenfalls eine deutliche Reduktion der Partikelanzahl im Vergleich zum konventionellem UHMWPE-Inlay, ferner eine ähnliche Größenverteilung der Abriebpartikel. Auch dies spricht insgesamt für eine geringere biologische Aktivität der Abriebpartikel in vivo. Der Einsatz von „crosslinked Polyethylen“ in der Kniegelenkendoprothetik erscheint vor dem Hintergrund der durchgeführten Partikelanalyse durchaus sinnvoll und erweckt Hoffnung auf reduzierte Entzündungsreaktionen aufgrund der deutlich reduzierten Partikelanzahl ohne wesentliche Größen- und Formänderungen der Partikel, und damit auf längere „Standzeiten“ dieser Prothesen. Es bedarf aber noch zusätzlicher Untersuchungen dieses Werkstoffes in vivo, um adäquate Aussagen über die biologische Aktivität der entstandenen Abriebpartikel treffen zu können.

Thermophorese beschreibt die von Temperaturegradienten angetriebene, gerichtete Bewegung von Partikeln. Obwohl dieser Effekt seit 1856 bekannt ist, werden die zugrundeliegenden Prinzipien immer noch aktiv diskutiert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein lange vorhergesagter größenabhängiger Übergang der Thermophorese zum ersten Mal experimentell verifiziert. Die Experimente untersuchen ein sphärisches Kondensator Modell für Thermophorese. Um Vorhersagen über ionisches Abschirmen geladener Partikel zu testen, sind Nanopartikel erforderlich, deren Größe im Bereich der Debye Länge liegt: DNA und RNA Oligonucleotide. Der theoretisch prognostizierte Übergang vom Plattenkondensator- über das sphärische Kondensator- bis hin zum isolierte Sphäre-Modell wurde über einen weiten Bereich von Verhältnissen zwischen Partikelgröße und Debye Länge erfolgreich beobachtet. Die Kombination dieser ionischen Thermophorese mit einer etablierten Beschreibung der Temperaturabhängigkeit von Thermophorese von ungeladenen Partikeln reicht aus, um Thermophorese von einzel- und doppelsträngiger DNA und RNA von 5°C bis 75°C und unter Salzkonzentrationen von 0.5mM bis 500mM abzudecken. Dies umfasst einen Großteil biologisch relevanten Bedingungen. Damit lassen sich nicht triviale Abhängigkeiten der Thermophorese in sehr breiten Bereichen von Salzkonzentration und Temperaturen für hoch relevante DNA und RNA Längen mit dem bestätigten Modell vorausberechnen. Diese Experimente geben neue Impulse in der Diskussion über die Rolle von sekundären elektrischen Feldern bei der Thermophorese. Zudem kann dieses neu gewonnene theoretische Verständnis die Quantifizierung von Biomolekülaffinitäten verbessern. Kooperatives Binden, das im zweiten Teil untersucht wird, ist entscheidend für das Verständnis vieler intrazellulärer Prozesse wie z.B. der Transkription. Mithilfe von Thermophoresemessungen wird das komplette Bindungsverhalten von mehr als zwei Partnern inklusive der kooperativen Effekte untersucht, die komplexe Molekül-Interaktionen formen. Die hier präsentierte, neu entwickelte Prozedur ist sehr flexibel und setzt nur einen fluoreszierzmarkierten Bindungspartner voraus. Im Gegensatz zu Methoden, die auf der Sättigung einer Bindung bei gleichzeitiger Untersuchung einer anderen beruhen, macht dieser neue Ansatz viele zusätzliche kooperative Molekülsysteme zugänglich. Kooperatives Binden eines sternförmigen, dreiteiligen DNA-Komplexes wird mit einer einzigen Messung aufgedeckt. Bindungskonstanten und thermophoretische Eigenschaften der Komplexe werde mit Messungen von Titrationsreihen innerhalb des Konzentrationswürfels untersucht. Diese Methode kann zu einer bisher fehlenden, flexiblen Messtechnik für kooperative Effekte bei geringer Veränderungen der untersuchten Systeme werden.

Das „Acute Respiratory Distress Syndrome“ (ARDS) ist eine akut auftretende, überwiegend Sepsis-induzierte, inflammatorische Erkrankung der Lunge mit hoher Letalität. Ein komplexes Netzwerk aus proinflammatorischen Zytokinen und Mediatoren initiiert und perpetuiert dabei die pulmonale Entzündungreaktion. Vor diesem Hintergrund steht das Konzept der therapeutischen Suppression dieser Substanzen. Dem Zytokin Interleukin-10 (IL-10) könnte in diesem Zusammenhang aufgrund seines ausgeprägten antiinflammatorischen Wirkspektrums eine Bedeutung zukommen; IL-10 hemmt physiologisch die Synthese und Freisetzung von Entzündungsmediatoren. In tierexperimentellen Untersuchungen bei Sepsis bzw. experimenteller Endotoxinämie konnte die protektive Wirkung von systemisch appliziertem IL-10 auf das Überleben der Versuchstiere sowie die Verminderung der Konzentrationen zirkulierender, proinflammatorischer Mediatoren gezeigt werden. Mit der vorliegenden Studie wurde erstmals untersucht, welche Auswirkungen eine Behandlung mit inhaliertem IL-10 im Hinblick auf die pulmonale und systemische Entzündungsreaktion hat. Da die Tierversuche in der intubierten und kontrolliert beatmeten Ratte durchgeführt werden sollten, musste zunächst ein hierfür geeignetes Verneblersystem entwickelt werden. Die in vitro Evaluation des neu entwickelten Verneblersystems ergab, dass das entwickelte Jetverneblersystem eine für eine alveoläre Deposition geeignete Partikelgröße liefert (d = 2µm). In vivo zeigten die produzierten Aerosolpartikel eine gleichmässige Deposition über die gesamte Lunge. Insgesamt deponierten rund 3.8%(1.3) (Median(IQR)) der vernebelten Ausgangslösung in alveolären Bereichen. Der Vernebelungsprozess beeinflusste weder die Herzfrequenz, den mittleren arteriellen Blutdruck, den arteriellen Sauerstoff- und Kohlendioxidpartialdruck noch die Integrität des Lungenparenchyms und kann daher als sicher angesehen werden. An 24 narkotisierten, kontrolliert beatmeten Ratten wurde die antiinflammatorische Wirkung von IL-10-Aerosol untersucht. Die Induktion des experimentellen Lungenschadens erfolgte durch intravenöse Injektion von Endotoxin (LPS). Die Tiere wurden zufällig einer von drei Versuchsgruppen zugeordnet: Die LPS-Gruppe erhielt eine LPS-Injektion (5mg/kg/KG) ohne therapeutische Intervention. Bei der IL-10-Gruppe erfolgte unmittelbar vor LPS-Injektion eine Behandlung mit IL-10-Aerosol (vernebelte Dosis: ~5μg/Tier; deponierte Dosis: ~0.19 μg/Tier). In einer Kontrollgruppe wurde die Auswirkung von Narkose, chirurgischer Präparation, Beatmung und Aerosolapplikation (Inhalation von PBS als die IL-10-Trägerlösung) evaluiert. Während einer Beobachtungszeit von 6h nach LPS-Injektion wurden kontinuierlich die Hämodynamik und Lungenmechanik sowie stündlich die arteriellen Blutgase und das Butbild bestimmt. Am Ende der Versuche erfolgten eine Bronchoalveoläre Lavage (BAL) sowie die Entnahme von Blut- bzw. Plasmaproben. Wichtigste Zielparameter waren hierbei die pulmonale und systemische Entzündungsreaktion. Durch die Injektion von LPS konnte sowohl systemisch als auch pulmonal eine akute Entzündungsreaktion ausgelöst werden. Zwar führte die experimentelle Endotoxinämie nur zu geringen Verschlechterungen der klinischen Parameter, jedoch zeigte sich sowohl in der BAL als auch im Plasma ein Anstieg der bestimmten proinflammatorischen Mediatoren (TNF-α, IFN-γ, RANTES, IL-1, IL-6). Desweiteren führte LPS zu einer Freisetzung reaktiver Stickstoffradikale aus durch die BAL gewonnenen und ex vivo kultivierten Alveolarmakrophagen. Die Applikation von IL-10-Aerosol senkte die erhöhten Konzentrationen von IFN-γ, RANTES, IL-1 und IL-6 sowohl in der BAL als auch im Plasma. Eine Reduktion der TNF-α-Konzentration war nur in der BAL nachweisbar. Auch die Freisetzung von reaktiven Stickstoffradikalen aus Alveolarmakrophagen wurde durch IL-10-Inhalation suffizient supprimiert. Die Vernebelung von IL-10 vor Induktion einer experimentellen Endotoxinämie zeigte sowohl pulmonal als auch systemisch antiinflammatorische Wirkungen. Basierend auf den hier vorgestellten Befunden können nun weitere Untersuchungen zur Beschreibung der Dosis-Wirkungsbeziehung und zur Bestimmung des Zeitfensters für eine therapeutische Applikation von IL-10-Aerosol nach LPS-Stimulation folgen.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Fluoreszenz von Hybridsystemen aus Gold Nanopartikeln und Farbstoffen zeitlich und spektral aufgelöst untersucht. Neben einer ultraschnellen Fluoreszenzemission, welche direkt von den Gold Nanopartikeln stammt, wurde insbesondere die dipolinduzierte Auslöschung der Fluoreszenz von Farbstoffen, welche auf der Partikeloberfläche chemisch gebunden sind, als Funktion der Partikelgröße und des Molekülabstandes untersucht. Hierzu wurden für drei verschiedene Farbstoffe Serien von Hybridsystemen hergestellt, in denen stets nur ein Parameter, nämlich die Nanopartikelgröße oder der Abstand des Farbstoffes, systematisch über eine Größenordnung geändert wird. Die experimentell bestimmten Transienten der Hybridsysteme zeigen, dass bereits die kleinsten Nanopartikel mit einem Radius von nur 1 nm die Quanteneffizienz bei einem Farbstoffabstand von 1 nm um 99,8 % verringern können. Des Weiteren wird nachgewiesen, dass die Quanteneffizienz der Farbstoffe sogar bis zu Abständen von 16 nm noch um über 50 % gesenkt ist. Eine derart hohe Auslöschungseffizienz wird in Energie-Transfer Systemen, welche nur aus organischen Farbstoffen bestehen, nicht erreicht. Gold Nanopartikel sind damit in der Tat viel versprechende Energieakzeptoren für eine zukünftige Generation von Nanosensoren. In dieser Arbeit kann zum ersten Mal die Ursache der effizienten Fluoreszenzauslöschung durch Gold Nanopartikel anhand der experimentellen Bestimmung der strahlenden und nichtstrahlenden Zerfallskanäle des Hybridsystems nachgewiesen werden. Sie resultiert aus einem strahlungslosen Energie-Transfer zum Partikel und einer gleichzeitigen Absenkung der strahlenden Rate des Farbstoffs. Die experimentell ermittelten strahlenden und nichtstrahlenden Raten der Hybridsysteme werden mit Modellrechnungen nach Gersten und Nitzan verglichen. Es zeigt sich, dass bei konstantem Molekülabstand, aber unterschiedlichen Partikelgrößen, eine qualitative Übereinstimmung der Messergebnisse mit den Modellvorhersagen vorliegt, die absoluten Energie-Transfer Raten sich jedoch um zwei Größenordnungen unterscheiden. Die Abweichung von den experimentellen Ergebnissen wird auf das Vorhandensein nichtlokaler Effekte zurückgeführt, welche im Modell nicht berücksichtigt, aber von aufwendigeren Modellierungen vorhergesagt werden. Bereits ohne oberflächengebundene Farbstoffe zeigen die experimentellen Ergebnisse eine Photonenemission aus Gold Nanopartikeln. Die Emission ist in ihrer spektralen Form der Plasmonresonanz sehr ähnlich und weist ebenfalls eine mit zunehmender Partikelgröße charakteristische Rotverschiebung auf. Gold Nanopartikel mit Radien von 1 – 30 nm zeigen, dass die Quanteneffizienz der Emission unabhängig von der Partikelgröße ist. Die quantitative sehr gute Übereinstimmung der Messergebnisse mit Modellrechnungen nach Shabhazyan et al. erlaubt zum ersten Mal eine mikroskopische Erklärung der verantwortlichen physikalischen Prozesse für die beobachtete Fluoreszenz. Sie wird als der strahlende Zerfall eines Partikelplasmons identifiziert: In den Gold Nanopartikeln rekombinieren optisch generierte d-Bandlöcher strahlungslos mit sp-Bandelektronen und emittieren dabei ein Partikelplasmon. Die Rate der Plasmonemission sinkt mit dem Volumen des Nanopartikels. Die Wahrscheinlichkeit dieser generierten Plasmonoszillation, strahlend via Photonenemission zu zerfallen, steigt wiederum mit dem Partikelvolumen. Die Quanteneffizienz des gesamten Prozesses ist daher unabhängig von der Partikelgröße. Sie ist um vier Größenordnungen über derjenigen einer direkten Aussendung eines Photons durch Rekombination von d-Bandlöchern mit sp-Bandelektronen an Goldfilmen. Der Grund liegt in der weitaus stärkeren Polarisierbarkeit und entsprechend höheren strahlenden Rate des Partikelplasmons gegenüber einzelnen Elektron-Loch Paaren.