Unzähligen Partikeln werden wir tagtäglich ausgesetzt, viele sind toxisch. Sie schwirren durch die Luft, gelangen auf unsere Haut oder über die Atemwege in die Lunge. Ob sie dort Entzündungen oder andere Schäden verursachen, ist Untersuchungsgegenstand der Forschung und wichtig bei der Produktentwicklung. Um dabei nicht auf Tierversuche zurückgreifen zu müssen, wurde am Fraunhofer ITEM die In-Vitro Technologie »P.R.I.T.®« entwickelt und anschließend mit Hilfe verschiedener Simulationen am Fraunhofer SCAI für den großflächigen Gebrauch optimiert.

Feinstaub, Abgase, Rauch, Haarspray, Haushaltsreiniger, Kosmetika und pharmazeutische Sprays – das sind nur einige Beispiele von Substanzen, denen Haut und Atemwege täglich ausgesetzt sind. Bei der Entwicklung neuer Produkte, aber auch bei der Erforschung von Umwelteinflüssen, werden die Auswirkungen dieser und anderer luftgetragener Substanzen auf lebende Organismen untersucht. Die Ergebnisse bilden die Grundlage, um die Gesundheit von Anwendern zu schützen und potentielle Gefahren zu reduzieren. Lange Zeit wurden solche Tests in Tierversuchen realisiert. Diese sind bekanntermaßen umstritten und werden vom Gesetzgeber mit strengen Auflagen belegt oder, wie beim Testen von Kosmetika, gänzlich verboten.

Der am Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM entwickelte Kubus »P.R.I.T.®« bietet die Möglichkeit, Zellen und Gewebe in vitro, also außerhalb eines lebenden Organismus zu untersuchen. Der sogenannte »ExpoCube®« nimmt eine Platte auf, die zwölf kleine Töpfchen beinhaltet. In diesen kann organisches Material, z.B. Lungengewebe, gezüchtet werden. Im Versuch ermöglicht »P.R.I.T®« zwei voneinander getrennte Phasen: Die Aerosol-Phase, in der das Gewebe der luftgetragenen Substanz von oben ausgesetzt wird, deren Wirkung getestet werden soll. Zum anderen die Flüssigkeitsphase, in der die Zellen von unten mit Nährstoffen versorgt werden – ähnlich wie Zellen im Körper mit Blut – und so über einen längeren Zeitraum am Leben gehalten werden. Abschließend folgt die Auswertung des Versuchs.

Der »ExpoCube®«, die Standardmultiwellplatte und die Töpfchen in der digitalen Visualisierung. Quelle: ©Fraunhofer ITEM

Über Simulation zur Optimierung

Um das bereits funktionierende Verfahren zu perfektionieren und weiterzuentwickeln, wandte sich das Fraunhofer ITEM an das Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI. In der Abteilung Multiphysics – die sich sonst in Bereichen wie »Fahrzeugdynamik« oder »Elektrische Anlagen« bewegt – wurden die einzelnen Ebenen des Kubus analysiert und digitalisiert, so dass ihre Funktionsweise in der Simulation beobachtet werden kann. Das Testen des Prozesses mittels Simulationen hat gegenüber herkömmlichen Experimenten einen großen Vorteil: Einzelne Größen, wie zum Beispiel Drücke, Temperaturen und Strömungsgeschwindigkeit, lassen sich direkt und sehr genau anpassen und verändern. Die Konsequenzen von minimalen Modifikationen an der Bauart des Geräts können innerhalb kurzer Zeit eingeschätzt werden. Die Untersuchungen und Simulationen erfolgten, was beispielsweise die Abstimmung der Randbedingungen und Interpretation der Ergebnisse angeht, in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ITEM.

Dr. Carsten Brodbeck vom Fraunhofer SCAI hat sich bei der Verbesserung des Verfahrens zuerst den Töpfchen zugewandt. In jedem Kubus gibt es zwei Reihen an Töpfchen, die dem potentiellen Schadstoff ausgesetzt sind. Wenn die Testergebnisse der beiden Reihen stark voneinander abweichen, wird sich ein Fehler eingeschlichen haben. Getrennt sind sie durch eine Reihe ohne Schadstoff-Beaufschlagung, die der Gegenprüfung dient. »Der erste Schritt war, die vorhandene Geometrie in der Simulation zu testen. Bei jedem Töpfchen gibt es oben eine Zuleitung und Ableitungen. Wir haben eines der Töpfchen rausgenommen und mit einem Teilmodell angefangen« erläutert Brodbeck. Bei der Optimierung wurden verschiedene Faktoren unter die Lupe genommen. Zum einen die Partikelgröße der Aerosole, denn »P.R.I.T.®« soll für verschiedene Größen geeignet sein. Daneben die Volumenströme in den Leitungen und deren Geschwindigkeit. Diese dürfen nicht zu hoch sein, da die Zellen dabei durch Partikel beschädigt werden können. Nicht zuletzt wurde auch die Temperaturverteilung im Gerät simuliert.

Mit Hilfe verschiedener Simulationen konnte »P.R.I.T.« für den großflächigen Gebrauch optimiert werden. Quelle: ©Fraunhofer SCAI

In einem zweiten Schritt wurden die Zuleitungen in der Simulation getestet, die den potentiellen Schadstoff zu den Töpfchen transportieren. Festgestellt wurde, dass die hinteren Töpfchen weniger Aerosol abbekommen als die vorderen. Dieses Problem musste behoben werden, ohne den Volumenstrom zu erhöhen. »Verschiedene geometrische Veränderungen an den Zuleitungen und deren Abzweigungen wurden simuliert, bis eine Steigerung der Deposition durch geometrische Modifikationen und eine günstige Temperaturverteilung erreicht werden konnte«, so Brodbeck. Dabei ist das Forscherteam einen Kompromiss eingegangen, was die Partikelgröße der luftgetragenen Substanzen angeht. Theoretisch wäre es für die Versuche von Vorteil, das Gerät den verschiedenen Größen der Partikel von Versuchsreihe zu Versuchsreihe anzupassen. Jedoch wären diese Anpassungen sehr komplex, da man jedes Mal das Gerät modifizieren müsste. Gefunden wurde also ein Kompromiss, der bei allen Partikelgrößen eine Verbesserung erzielt.

»P.R.I.T.®« fit machen für die Industrie 

Der letzte Schritt widmete sich der Optimierung des Flüssigkeitsbereichs in einer Perfusionsplatte. Dabei wird eine Kulturflüssigkeit, die die Versorgung der Zellen mit Nährstoffen sicherstellt, durch ein verzweigtes System aus Zu- und Ableitungen geschleust. In den Simulationen wurde schnell klar, dass dieser Prozess schon gut funktioniert. Nebenbei wurden die Maximalwerte für die Volumenströme ermittelt. Auch hier darf der Druck nicht zu hoch sein, um das lebende Gewebe nicht in Stress zu versetzen und so die Testergebnisse zu verfälschen. Anschließend haben sich die Forscher dem Ausspülen der Leitungen zwischen zwei Versuchen gewidmet. Die Nährflüssigkeit muss restlos aus den Leitungen entfernt werden, weil andernfalls bakterielle Verunreinigungen entstehen können, die den Versuch ebenfalls korrumpieren. Auch an dieser Stelle konnte »P.R.I.T.®« durch Modifikationen an der Geometrie verbessert werden. Durch die Änderung des Querschnitts wurde zusätzlich eine Druckreduzierung erreicht und der Abtransport etwaig entstandener Luftblasen erleichtert.

Die »AE-Box« ist ein Anbau zu »P.R.I.T.®« und erlaubt es, die Wirkung bestimmter Haarprodukte zu untersuchen. Quelle: ©Fraunhofer ITEM

Damit waren die Simulationen für »P.R.I.T. ®« abgeschlossen, die innerhalb des Fraunhofer-Projektes »4D« stattfanden. Die Arbeit des Fraunhofer SCAI nahm damit jedoch nicht ihr Ende. Für einen Kosmetikhersteller, der die Wirkung eines Haarglättemittels testen wollte, sollte die Probeentnahmequelle »AE-Box«, ein Anbau zu »P.R.I.T.®« auf die Strömungsmechanik hin getestet werden. Das Haarglättemittel wird in der Box auf Haarsträhnen aufgetragen und verdampft. Die luftgetragenen Partikel werden anschließend in den »P.R.I.T.®«-Kubus abgesaugt. Vor allem bei den schweren Partikeln stellte sich das als Problem heraus. »Durch eine Änderung der Form, durch Anbringen von Einstromöffnungen und eines Propellers, der für Verwirbelungen sorgt, konnten wir in den Simulationen das Spektrum an abgesaugten Partikeln erweitern«, so Brodbeck. Erst in den Simulationen und anschließend in der Realität. (adz)

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