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Apparative Biotechnologien
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Apparative Biotechnologien

Die (Apparative) Biotechnologie beschäftigt sich in Lehre und Forschung mit Geräten und Verfahren für die Biotechnologie und die angrenzende Medizintechnik. Im Bereich Biophotonik wird die Strahlungsdesinfektion mit UV- oder sichtbarem Licht zur Reduzierung von Legionellen oder Staphylokokken erforscht, aber auch die nichtinvasive, spektroskopische Online-Bestimmung von Stoffkonzentration in Bioreaktormedien. Die Bioreaktoren selbst, d.h. technische Systeme zur Vermehrung und Nutzung von Mikroorganismen und Zellen, gehören ebenfalls zur Apparativen Biotechnologie. So nutzt und entwickelt die Forschungsgruppe sowohl Bioreaktoren für Bakterien und Pilze, aber auch für das Knorpel-Tissue-Engineering, bei dem aus menschlichen Zellen, benötigtes menschliches Knorpelgewebe nachgezüchtet wird.

Ansprechpartner:
Institut für Medizintechnik und Mechatronik

Aktuelle Projekte

Entwicklung von Beleuchtungssystemen fur das Auge mittels LEDs, SafeLight

Projektleiter: Prof. Dr. Martin Heßling
Projektlaufzeit: 01.10.2016 - 30.09.2019

Projektbeschreibung:
Im Rahmen dieses Projekts zwischen der Hochschule Ulm, der Pharmpur GmbH (Königsbrunn) und der Epigap Optronik GmbH (Berlin) & Co. KG (Dornstadt) werden mit Unterstutzung des Frankfurter Universitätsaugenklinikums neue Konzepte zur Beleuchtung fur die Netzhautchirurgie entwickelt, die schonender und preiswerter als konventionelle Beleuchtungssysteme sind. Im Gegensatz zu den bisherigen Systemen kommen die neuen LED-Endoilluminator teilweise sogar ohne eine Verletzung des Auges aus. Es wird eine gleichmäßigere Beleuchtung des Augeninneren erreicht, bei einer gleichzeitig stark reduzierten Gefährdung der Netzhaut durch thermische oder photochemische Prozesse.


Contact Lens Antimicrobial Light System, CoLALight

Projektleiter: Prof. Dr. Martin Heßling
Projektlaufzeit: 01.03.2015 - offen

Projektbeschreibung:
Es wurde ein Ansatz fur eine verbesserte Kontaktlinsendesinfektion gefunden, die durch den Verzicht auf aggressive Reagenzien schonender fur das Auge des Kontaktlinsenträgers ist und auf der anderen Seite sogar höhere Desinfektionserfolge verspricht. Dieser Ansatz beruht auf der der antimikrobiellen Wirkung violetter Strahlung, die in Bakterien Porphyrine zur Bildung aggressiver Radikale veranlasst, die die Bakterien dadurch von innen zerstört. Diese Idee wird in Frau Hönes Promotion sowohl im Hinblick auf die Desinfektionswirksamkeit gegen Kontaktlinsenrelevante Keime genauer untersucht als auch mit Blick auf mögliche Veränderungen an der Kontaktlinse.

Frau Hönes konnte hiermit bereits zwei Preise gewinnen: 
  • Katharina Hönes, Gunter-Schamberger-Preis 2015 der VDCO (Vereinigung Deutscher Contactlinsen-Spezialisten und Optometristen) für ihre Masterarbeit an der Hochschule Ulm Evaluierung der antimikrobiellen Wirkung sowie der Materialkompatibilität von optischer Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich (405 nm) in Bezug auf die Desinfektion von weichen Kontaktlinsen, Berlin, September 2015 
  • Katharina Hönes, Förderpreis 2015 von Pro! Hochschule Ulm für ihre Masterarbeit an der Hochschule Ulm Evaluierung der antimikrobiellen Wirkung sowie der Materialkompatibilität von optischer Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich (405 nm) in Bezug auf die Desinfektion von weichen Kontaktlinsen, Ulm, August/Oktober 2015 Frau Hönes wird diese Arbeiten Anfang 2016 im Rahmen einer Promotion weiterführen. Frau Dr. Spellerberg von der Mikrobiologie des Universitätsklinikum Ulm hat sich bereits als Doktormutter zur Verfügung gestellt und die Universität Ulm hat Frau Hönes bereits als Doktorandin zugelassen.

LED-Illuminatoren für die Augenchirurgie

Projektleiter: Prof. Dr. Martin Heßling, Prof. Dr. Thomas Engleder
Projektlaufzeit: 01.03.2013 - offen

Projektbeschreibung:
Im Rahmen einer Kooperation zwischen der Hochschule Ulm und der alamedics GmbH & Co. KG (Dornstadt) wurden mit Unterstützung des Frankfurter Universitätsaugenklinikums neue Konzepte zur Beleuchtung für die Netzhautchirurgie entwickelt, die schonender und preiswerter als konventionelle Beleuchtungssysteme sind. Im Gegensatz zu den bisherigen Systemen kommt der hier vorgestellte nicht invasive LED-Endoilluminator ohne eine Verletzung des Auges aus. Es wird eine gleichmäßigere Beleuchtung des Augeninneren erreicht, bei einer gleichzeitig stark reduzierten Gefährdung der Netzhaut durch thermische oder photochemische Prozesse.

Gemeinsam mit den Projektpartnern hat es für diese Idee einen grösseren europäischen Preis gegeben: 
Christian Lingenfelder (Alamedics GmbH), Frank Koch (Uniklinikum Frankfurt) und Martin Heßling, Euretina Innovation Award für die Entwicklung neuer LED-Beleuchtungsansätze für die Netzhautchirurgie, Nizza, September 2015


Abgeschlossene Projekte

CleanSpring - Entwicklung eines Verfahrens und eines prototypischen Systems zur dauerhaften Reduktion von Legionellen in kontaminierten Leitungssystemen

Projektleiter: Prof. Dr. Martin Heßling
Projektlaufzeit: 01.06.2015 - 31.05.2017

Projektbeschreibung:
Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines kompakten Biofilm-Reaktors, der mittelfristige vor Hausanschlüssen in Trinkwassersysteme integriert werden soll. Dieser zusätzliche Biofilm-Reaktor soll dem Trinkwasser Nährstoffe entziehen (Organische Verbindunge, Stickstoffverbindungen und Phosphatverbindungen) entziehen, um damit existierende Biofilme in Hausinstallationen auszuhungern und die Keimbelastungen beim Endverbraucher zu reduzieren. Ausserdem soll ein technisches System zur Erkennung von Biofilmneubildung mit Hilfe spektroskopiescher Ansätze entwickelt werden.

 

Biooptiss

Projektleiter: Prof. Dr. Martin Heßling
Projektlaufzeit: 01.09.2013 - 31.07.2016

Projektbeschreibung:
In diesem Projekt wird eine Bioreaktor-Systems mit optischer Online-Überwachung für das Wachstum von menschlichem Knorpelgewebe entwickelt. Konkret geht es dabei um den Ersatz von Knorpelgewebe im Hals- und Kopfbereich, beispielsweise wenn Knorpelgewebe von Ohrmuscheln, Nase oder Luftröhre durch Unfall oder Krankheit zerstört sind. Idealerweise sollte das Ersatzgewebe die gleichen Eigenschaften wie das ursprüngliche besitzen und vom Körper toleriert werden. Das gelingt am ehesten, wenn man es aus körpereigenen Zellen des Patienten nachzüchtet. Dieses so genannte Tissue Engineering geschieht in einem mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgten Bioreaktor. Dieser ist mit einem dreidimensionalen Gerüst bestückt, auf dem die Zellen wachsen, sich vermehren und einen stabilen Gewebeverband bilden können. Während des tage- bis wochenlagen Prozesses gilt es das Milieu keimfrei und stabil zu halten. Mit den kommerziellen Bioreaktoren, wie sie für die Gewinnung von Gelenkknorpel eingesetzt werden, ist eine zerstörungsfreie Überwachung und Qualitätskontrolle nicht möglich. Hier setzt das Projekt von Professor Heßling an. Das neue Bioreaktor-System soll eine kontrollierte und optimierte Herstellung von Knorpelgewebe erlauben. Dabei sollen Knorpelqualität und Zelldifferenzierung anhand von Spektraldaten zerstörungsfrei beurteilt werden und mit Hilfe einer speziellen Online-Analytik das Wachstumsmilieu der Zellen kontinuierlich erfasst und anhand dieser Daten optimiert werden. Gerade für die Nachzüchtung von Knorpelgewebe der Luftröhre ist dieser Ansatz besonders wichtig, weil hier neben Knorpelzellen auch Epithelzellen, die für ihre Vermehrung andere Bedingungen benötigen, in den Zellverband einwachsen müssen. Die für die Entwicklung des Systems erforderlichen Tests mit entsprechendem Zellmaterial werden in der Arbeitsgruppe von Professor Dr. Nicole Rotter an der Klinik für Hals-, Nasen- und Ohrenheilkunde des Universitätsklinikums Ulm durchgeführt werden. Für seine Masterarbeit zur Spektralkamera hat Herr Artur Kühn den VDI-Preis des Sommersemesters 2015 der Hochschule Ulm gewonnen.

 

Konzeption und Validierung der Desinfektion mittels UV und Ultraschall, DNACrack

Projektleiter: Prof. Dr. Martin Heßling
Projektlaufzeit: 01.09.2013 - 29.02.2016

Projektbeschreibung:
Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines kompakten, preiswerten, wartungsfreien und energieautarken Wasserdesinfektionssystems. Innerhalb dieses Systems sollen UVC-LEDs zum Einsatz kommen, die sich einerseits hervorragend für die Desinfektion von keimhaltigem Wasser eignen und sich anderseits durch eine hohe Lebensdauer, eine gewisse Robustheit sowie einen äußerst geringen Energieverbrauch auszeichnen. Dieser soll so gering sein, dass das gesamte Desinfektionssystem mit einem sogenannten Picosolar-System, bestehend aus Solarzelle und Akku, betrieben werden kann. Hierdurch ist es möglich, das Wasserdesinfektionssystem mobil und unabhängig von der Verfügbarkeit eines Stromnetzes einzusetzen, wodurch die potenziellen Anwendungsgebiete immens gesteigert werden.

Die Mitarbeiter konnten im Rahmen dieses Projekts einen Posterpreis gewinnen: 

Felix Stangl, Katharina Hönes, Andrej Gross und Marc Miller, 1. Preis beim Posterwettbewerb „4th Symposium Small PV Applications & Intersolar Europe“ mit dem Poster Photovoltaic Based Water Disinfection System, München, Juni 2015


Universelle optische Multiparametersonde für Bioprozesse, BIOsens

Projektleiter: Prof. Dr. Martin Heßling
Projektlaufzeit: 01.09.2011 - 31.08.2015

Projektbeschreibung:
Ziel des Kooperationsprojektes „BIOsens" ist die Entwicklung eines optischen Online-Messsystems, das u. a. Glucose und Ethanol mit Hilfe ihrer physikalischen bzw. optischen Eigenschaften bestimmt. Das optische System soll aus mindestens einer Lichtquelle, Lichtleitern, einer Sonde und mindestens einem Spektrometer bestehen. Dazu kommen noch PC und Software, um die optischen Messdaten in die Konzentrationen der verschiedenen Substanzen umzurechnen. Durch den zu entwickelnden Sensor soll eine kontinuierliche (online) Absorptionsmessung der interessierenden Substanzen durchgeführt werden und mittels eines chemometrischen Verfahrens die Konzentration der Substanzen in der Fermenterbrühe bestimmt werden. Hauptsächliche Nutzer und Käufer des BIOsens-Systems sind Forschungslabore. Ein Bedarf an einem solchen Sensorsystem existiert jedoch nicht nur in der Biotechnologie, sondern auch in benachbarten Bereichen wie der Lebensmittelindustrie.

Veröffentlichungen

Biosens: Online-Analytik in Bioreaktoren
  • A. Bogomolov, M. Hessling, U. Wenzel, S. Princz, T. Hellmuth, M. J. Barraza Bernal, T. Sakharova, I. Usenov, V. Artyushenko, H. Meyer. Development and testing of mid-infrared sensors for in-line process monitoring in biotechnology. Sensors and Actuators B: Chemical, doi: 10.1016/j.snb.2015.07.118, August 2015.
  • S. Princz, U. Wenzel, R. Miller, and M. Hessling. Data pre-processing method to remove interference of gas bubbles and cell clusters during anaerobic and aerobic yeast fermentation in a stirred tank bioreactor. Journal of Applied Spectroscopy, 81 (5):855-861, doi: 10.1007/s10812-014-0017-4, November 2014.
Biooptiss: Bioreaktor für Knorpelgewebe mit optischer Online-Analytik
  • S. Princz, U. Wenzel, H. Tritschler, S. Schwarz, C. Dettmann, N. Rotter and M. Hessling. Automated bioreactor system for cartilage tissue engineering of human primary nasal septal chondrocytes. Biomedical Engineering, - (-) :1-6, doi: 10.1515/bmt-2015-0248, October 2016.
  • S. Princz, U. Wenzel, S. Schwarz, N. Rotter and M. Hessling. New bioreactor vessel for tissue engineering of human nasal septal chondrocytes. Current Directions in Biomedical Engineering, doi: 10.1515/cdbme-2016-0071, September 2016.
  • A. Kuehn, A. Graf, U. Wenzel, S. Princz, H. Mantz, and M. Hessling. Development of a highly sensitive spectral camera for cartilage monitoring. Journal of Sensors and Sensor Systems, doi: 10.5194/jsss-4-289-2015, September 2015.
CleanSpring: Reduktion von Legionellen in Trinkwasser
  • F. Stangl, A. Gross, K. Hönes, M. Hessling, Biofilme und Nährstoffresorption in Trinkwasser, Langenauer Wasserforum (Poster), November 2015
DNACrack: Wasserdesinfektionssysteme für die 3. Welt
  • M. Hessling, A. Gross, K. Hoenes, M. Rath, F. Stangl, H. Tritschler, M. Sift. Efficient Disinfection of Tap and Surface Water with Single High Power 285 nm LED and Square Quartz Tube. Photonics, 1:1-7, doi: 10.3390/photonics3010007, Januar 2016
  • A. Gross, F. Stangl, K. Hoenes, M. Sift and M. Hessling. Improved Drinking Water Disinfection with UVC-LEDs for Escherichia Coli and Bacillus Subtilis Utilizing Quartz Tubes as Light Guide. Water, -:4605-4621, doi: 10.3390/w7094605, August 2015
  • A. Gross, F. Stangl, K. Hoenes, M. Hessling, R. Brucher. Frequency-Controlled Power Ultrasound Unit for Battery-Powered UVC-LED Based Disinfection System. International Journal of Advanced Research in Computer Science and Electronics Engineering, 3 ( 12 ):476-481 http://ijarcsee.org/index.php/IJARCSEE/article/view/515/485, December 2014
CoLaLight: (Kontaktlinsen-) Desinfektion mit sichtbarem Licht
  • Hessling M, Spellerberg B, Hoenes K. Photoinactivation of bacteria by endogenous photosensitizers and exposure to visible light of different wavelengths - A review on existing data, FEMS Microbiol Lett. 2016 Dec 2., doi: 10.1093/femsle/fnw270
  • Hoenes K, Stangl F, Gross A, Hessling M. Improved contact lens disinfection by exposure to violet radiation. Technol. Health Care. 2016; 24(1):145-51. doi: 10.3233/THC-151104
SafeLight: Schonende Beleuchtung bei der Netzhautchirurgie
  • M. Hessling, P. S. Koelbl, C. Lingenfelder, F. Koch. Miniature LED endoilluminators for vitreoretinal surgery. Proc. SPIE. 9542, Medical Laser Applications and Laser-Tissue Interactions VII, doi: 10.1117/12.2197603 
  • P. S. Kölbl, C. Lindner, C. Lingenfelder, S. Deuchler, P. Singh, F. Koch, M. Hessling. Faserloser Miniatur-Chandelier-LED-Endoilluminator für die Pars-plana-Vitrektomie. Ophthalmologe. 2016 Jan;113(1):47-51. doi: 10.1007/s00347-015-0050-6
  • P. S. Kölbl, C. Lindner, C. Lingenfelder, S. Deuchler, P. Singh, F. Koch, M. Hessling. An extraocular non-invasive transscleral LED-endoilluminator for eye speculum integration. Graefes Arch. Clin. Exp. Ophthalmol. 2015 Sep; 253(9):1529-35. doi: 10.1007/s00417-015-3036-9









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