INNOVATIO TRADITIO ET - 10 JAHRE INTERDISZIPLINÄRE FORSCHUNG - UNI ROSTOCK
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Traditio et Innovatio Sonderheft der Universität Rostock 2018 10 Jahre Interdisziplinäre Forschung
Liebe Leserinnen und Leser,
nach zehn Jahren Interdisziplinärer Fakultät Bilanz zu ziehen, heißt, mit dem Blick zurück den Weg
nach vorn zu finden. Mit dem vorliegenden Heft Traditio et Innovatio soll dazu an einige Highlights
der interdisziplinären Zusammenarbeit in den letzten Jahren erinnert werden.
Mit der Interdisziplinären Fakultät beschritt mein Vorgänger Thomas Strothotte 2007 zusammen
mit vielen Mitwirkenden und der Zustimmung der Gremien einen ungewöhnlichen Weg, um mit der
breit aufgefächerten Universität mit wenigen Experten in den einzelnen Fachgebieten sichtbare
und effektive Schwerpunkte zu bilden. Diese sollten in einer Anschubfinanzierung mit Unterstüt-
zung des Landes Mittel für Promotionsstipendien erhalten und so diese Profillinien weiter stärken.
Dieses deutschlandweit einmalige Modell einer virtuellen Fakultät war forschungsorientiert über
die Fachgrenzen in Form von Doppelmitgliedschaften vernetzt mit zunächst 3 Profillinien: Leben-
Licht und Materie (LLM), Altern des Individuums und der Gesellschaft (AGIS) und Maritime Systeme
(MTS). Nach meinem Amtsantritt habe ich mich sehr für die Fortsetzung und den weiteren Ausbau
dieser Interdisziplinären Fakultät zusammen mit ihrem Gründungsdekan Prof. Dr. Udo Kragl ein-
gesetzt und zur Integration der Geistes- und Kulturwissenschaften wurde die vierte Profillinie Wis-
sen-Kultur-Transformation (WKT) gegründet.
Warum dieser Weg? Unsere Universität ist mit ihren 9 Fakultäten ungewöhnlich breit aufgestellt.
Dabei ist sie gleichzeitig kein Dickschiff, sondern eher ein schlanker Klipper. In einer Disziplin
gibt es nicht gleich zehn Lehrstühle, sondern oft nur einen. Will man wissenschaftliche Exzellenz
erreichen, ist Fokussierung geboten. Großen Universitäten mag die Fokussierung auf gleichzei-
tig viele Themen gelingen, denn sie verfügen über zahlreiche Lehrstühle in einem Bereich. Klei-
nen Universitäten mit engem Fächerangebot gelingt dies ebenfalls, dann aber zumeist nur bei ein
oder zwei Themen. Jedoch bei einer fachlich breit aufgestellten und dennoch schlanken Univer-
sität? Eine Fokussierung auf ein Thema müsste zwangsläufig dazu führen, dass die Breite der Fä-
cherpalette eben gar nicht genutzt werden könnte – und viele Disziplinen außen vor blieben. In
unserer globalisierten Welt sind Internationalität, Interdisziplinarität und Diversität der Schlüs-
sel zum Erfolg. Das Entstehen von solchen Netzwerken kann man aber nicht dem Zufall über-
lassen. Mit einer Institutionalisierung entsteht ein starkes Gefüge um miteinander vernetzte
Schwerpunkte – eine fokussiert vernetzte Vielfalt –, die wir mit der INF realisieren, stärken und zu
Erfolgen führen möchten. Längst sind die Profillinien zu starken und auch erfolgreichen Depart-
ments geworden.
2 Traditio et Innovatio – Zehn Jahre Interdisziplinäre Fakultät 2017
Editorial
Beheimatet in ihren Mutterfakultäten sollten die Mitglieder der INF einen Blick über den Tellerrand,
besser noch einen Sprung in fremde Gewässer wagen und mit der Mitgliedschaft in dieser zweiten
Fakultät zumindest in Tandems und gerne auch in größeren Verbünden an den Grenzen der eige-
nen Fächerkulturen forschen. An Grenzen entstehen ganz neue Erkenntnisse. Der für das eigene
Fach kompetente Blick erkennt in der Betrachtung des Partnerfachs bis dahin ungeahntes Potenzi-
al. Eine gemeinsame, für alle verständliche Sprache zu finden – dies ist eine besondere Herausfor-
derung. Dazu bietet die INF einen Rahmen mit besonderen Anreizen.
Diese Anreize lagen ganz konkret zunächst in Promotionsstipendien, von denen für die zunächst
drei, dann vier Departments jeweils 10 bis 14 vergeben wurden, immer unter der Auflage einer in-
terdisziplinären Betreuung. Wodurch auch gleich gewährleistet war, dass an den Fächergrenzen
und Überschneidungszonen geforscht wurde und sich so der Dialog der Fächerkulturen quasi auto
matisch entspann. Mittlerweile hat der Anreiz Früchte getragen. Gut 120 Hochschullehrerinnen
und -lehrer sind nun Mitglieder der Fakultät – auch ohne den Anreiz der Finanzierung von Promo
tionsstellen. Denn mittlerweile ist klar, dass durch Interdisziplinarität wirklich Neues und Span-
nendes entsteht. Und dies wird auch durch die Förderinstitutionen im Lande mit Spitzenförderung
in Sonderforschungsbereichen, Graduiertenkollegs und kollaborativen BMBF- und EU-Großprojek-
ten belohnt.
Dieses Heft ist also den Leistungen der INF gewidmet. Und natürlich den eigentlichen Leistungs
trägern, den Mitgliedern der Fakultät. Zu denen sich hoffentlich noch viele gesellen mögen, die sich
für Interdisziplinarität begeistern können.
Ich wünsche Ihnen eine anregende Lektüre.
Ihr
Wolfgang Schareck
Rektor der Universität Rostock
Universität Rostock 3
Inhalt
29
8
Einleitung Department
Maritime Systeme
6 Zehn Jahre Interdisziplinäre
Fakultät 29 Rostock auf dem Weg zum Zentrum
für interdisziplinäre Küstenforschung
Department 33 Erfolge und Erfahrungen für die
Leben, Licht und Materie nachhaltige Entwicklung der Ostsee
8 10 Jahre Department und ihrer Küste
Leben, Licht und Materie (LL&M) 38 Rund um die Ostsee gemeinsam
10 Die Form macht den für neue maritime Wirtschaftskonzepte
Unterschied forschen
12 Lernen, den Herzmuskelzellen 40 Phosphor – ein wichtiges
zuzuhören
Element in allen Lebens- und
14 Kleinste Teilchen mit Forschungsbereichen
großer Wirkung
44 Ausbildung von Experten für
17 Auf der Suche nach dem idealen
den Küstenraum
Abschreckmedium
19 Nano-Design lässt Zellen 47 Von der Theorie in die Anwendung
auf Implantaten besser 49 Vom Verstehen zur nachhaltigen
anwachsen
Nutzung
22 Impressionen aus dem
52 Neue Methoden und Technologien
Forschungsbau LL&M
in der Forschung für Nachhaltigkeit
an der Küste nutzen
4 Traditio et Innovatio – Zehn Jahre Interdisziplinäre Fakultät 2017
74
54
Department Department
altern des Individuums und Wissen – kultur –
der Gesellschaft transformation
54 Altern des Individuums und 74 Deutungsmacht
der Gesellschaft
77 Sexualisierte Gewalt gegen Kinder
56 fast care und Jugendliche
57 SFB ELAINE 79 Übersetzen des Wissens –
58 Studie im Interaktiven Labor das Wissen der Übersetzung
zur Echtzeit-Ganganalyse 82 Erzähltechniken der Antike
60 Situationsadaptive Navigations- 85 Andere Transformationen.
assistenz für Demenzpatienten auf Aus den Digital Humanities
Basis kausaler Modelle
86 Schluss mit dem Verzetteln!
61 Das Projekt SiNDeM
88 Qualifikation im Department
63 insideDEM
89 Corinna Lüthje
64 Nutzung von Wearables in der
Demenzassistenz 89 Anke Walter
66 Fachkräftemangel und der Übergang
in die Rente
Sonstiges
68 Macht der Erzählung
2 Editorial
70 Demenz in einer alternden
Gesellschaft 90 Impressum
72 Analyse von demografischen
Ereignissen mit Gesundheitsbezug
73 Ausblick
Universität Rostock 5
Einleitung
Zehn Jahre
Interdisziplinäre
Fakultät
Herausforderungen einer kleineren Universität
zum Vorteil nutzen
Was bedeutet Interdisziplinarität? Man nähert sich die- Prinzip enorm effizient: „In its normal state, (…) a scien-
ser Frage vielleicht durch deren Umkehrung: Was ist tific community is an immensely efficient instrument for
Disziplinarität und welche Bedeutung hat sie für den solving the problems or puzzles that its paradigms de-
wissenschaftlichen Fortschritt? Gewiss scheint: Die Auf- fine“ (Kuhn, 1970). Eigentlich also kein Anlass, eine in-
spaltung der Wissenschaften in einzelne Disziplinen er- terdisziplinäre Vermengung zu fordern oder gar zu för-
laubte erst deren immens produktive Entwicklung und dern. Dennoch entstehen durch Spezialisierung zwei
die Lösung spezifischer Fachprobleme. So haben sich Herausforderungen: eine allgemeine, eher erkenntnis-
die universitären Fakultäten in ihrer heutigen Breite theoretische – und eine speziell für kleine Universitä-
und Vielfalt entwickelt. Eine Breite im Übrigen, die die ten sich herausschälende, gewiss im Wesentlichen wis-
senschaftsstrategische. Zunächst zur
allgemeinen, die wiederum der Episte-
mologe Kuhn vielleicht etwas pointiert
aufgreift, wenn er denn bemerkt, dass
Die Aufspaltung der Wissenschaften dem wissenschaftlich tätigen Menschen
keine (gedankliche) Alternative zur Ver-
in einzelne Disziplinen erlaubte erst deren fügung stehe, solange sie oder er sich nur
immens produktive Entwicklung und in dem eigenen Feld bewege. Betriebs-
die Lösung spezifischer Fachprobleme. blindheit also als mögliches Risiko star-
ker Spezialisierung, selbst wenn man es
so apodiktisch nicht sehen mag. Und das
spezifische Problem der kleineren Uni-
versität? Bei großer Breite der Fächer er-
Universität Rostock trotz ihrer vergleichsweise gerin- gibt sich folgerichtig, dass die einzelne Disziplin nur von
gen Größe in exemplarischer Weise abbildet. Beispiel- Wenigen, bisweilen nur von einem Lehrstuhl überhaupt
haft sei nur erwähnt, dass sie als erste Volluniversität in vertreten wird. Das stellt in der derzeitigen Förderland-
Deutschland bereits seit 1951 zunächst eine, heute nun- schaft, in der kollaborative Großprojekte gefordert wer-
mehr sogar zwei technische Fakultäten aufweist – eben den, eine große, bisweilen unlösbare Herausforderung
neben den klassischen Geisteswissenschaften, den Na- dar: Wie sollen mit sieben, fünf oder gar nur einer Person
turwissenschaften, den Staatswissenschaften und der ein thematisch fokussierter Sonderforschungsbereich,
Medizin. Somit finden sich in Rostock Experten, die eine ein vernetztes BMBF-Projekt, ein EU-Projekt gestemmt,
enorm breite methodische Palette abdecken, jeweils mit ja überhaupt erst personell unterfüttert werden? Vor
ihren fachspezifischen Eigenarten und Herangehens- zehn Jahren nun hat die Universität Rostock diese He-
weisen. Spezialisierung geht also in die Tiefe. Und ist im rausforderung auch strukturell angenommen und auf
6 Traditio et Innovatio – Zehn Jahre Interdisziplinäre Fakultät 2017
Gründungsakt der
Interdisziplinären
Fakultät am 11. Oktober 2007
mit damaligem Minister Henry Tesch,
Rektor Prof. Dr. Thomas Strothotte und
Gründungsdekan Prof. Dr. Udo Kragl.
Interdisziplinarität gesetzt und so die Interdisziplinä- me Fragestellungen zu definieren. Diesen Rahmen gab
re Fakultät gegründet, damit sich über Fächergrenzen und gibt die Interdisziplinäre Fakultät – zunächst ganz
hinweg kritische Massen für Forschungsschwerpunkte konkret mit Promotionsstipendien, formaler Depart-
bilden können. Und man kann selbstbewusst behaup- mentbildung (vier an der Zahl sind es nun), mit Work-
ten: Die intensivierte interdisziplinäre Zusammenar- shops und auch informellen Treffen zu Bier oder Wein
beit schafft Neues durch Fachgrenzen überschreitendes oder auch Tee, je nach Vorliebe. Kommt man so ins Ge-
Denken. Neue und unerwartete Erkenntnisse, vielleicht spräch, gelingt so die gemeinsame Zielsetzung, wird es
sogar dereinst einen Paradigmenwechsel, jedenfalls enorm spannend.
aber ganz konkret kollaborative Großprojekte.
Und die Früchte solcher spannender Interaktion ern-
Und wozu brauchte es nun eine Interdisziplinäre Fakul- ten wir nun seit einigen Jahren. Beispielhaft seien ge-
tät? Die einzelnen Disziplinen waren ja nun da und konn- nannt: der rezent eingeworbene SFB 1270 Elaine (den
ten auch so schon untereinander interagieren. Auch hier Departments Leben, Licht und Materie [LLM] und Al-
kann man Kuhn bemühen: „Because (…) the group knows tern des Individuums und der Gesellschaft [AGIS] wohl
well which problems have already been solved, few sci- gleichermaßen zuzuordnen) und vorher der SFB 652
entists will easily be persuaded to adopt a viewpoint Starke Korrelationen [LLM], die Graduiertenkollegs
that again opens to question many problems that had Deutungsmacht bzw. Kulturkontakt [Wissen-Kultur-
previously been solved.“ Es braucht also Überzeugung, Transformation; WKT] und die Küstenforschungspro-
Anreize, sich aus dem sicheren Terrain der Fachspezi- jekte SECOS, BACOSA und PADO, sowie das Graduier-
alisierung auf das Abenteuer, aber auch die Schwierig- tenkolleg Baltic Transcoast [Maritime Systeme]. Diese
keiten des interdisziplinären, tellerrandüberschreiten- und weitere aktuelle Erfolge beleuchten die folgenden
den Blicks einzulassen. Denn die Disziplinen sprechen Seiten, die hoffentlich Lust auf noch mehr Interdiszip-
verschiedene Sprachen und es braucht Zeit für das ge- linarität machen.
genseitige Verstehen. Und noch mehr Zeit, gemeinsa- Rüdinger Köhling, Dekan INF
Universität Rostock 7
Department Leben, Licht und Materie
chungsbau +++
op zieht in den Fors
ochleistungs- Elektronenmikrosk
+++ Einzigartiges H
10 Jahre Department Leben,
Licht und Materie (LL&M)
Forschung im Grenzgebiet zwischen Natur-, Ingenieurs-
und Lebenswissenschaften
Die Anfänge Wo stehen wir heute
Grenzübergreifend denken, forschen und neue Part- Nach 10 Jahren sehen wir, dass sich LL&M entlang dieser
nerschaften eingehen – diesem Motto hat sich das De- Linie zu einer aktiven Forschungsplattform entwickelt
partment LL&M von Beginn an verschrieben. Dabei war hat, die – ausgehend von einem DFG-Sonderforschungs-
die Geburtsstunde im Jahre 2007 eine Herausforde- bereich, einem DFG-Transregio und weiteren Projekten –
rung, galt es doch, mehrere Forschungsverbünde der eine Reihe koordinierter Vorhaben trägt bzw. mit ih-
Universität unter einem Dach zu vereinen. Der Senat nen zusammenarbeitet. Ein Highlight ist das im Jahre
und das Konzil befassten sich in lebhaften Diskussio- 2015 bezogene Gebäude für Projekte des Departments.
nen mit der Ausgestaltung von Profillinien, wie sie zu- Dieser Forschungsbau, über das Bildungsministerium
nächst hießen, und beschlossen, Science and Techno- durch LL&M beantragt und finanziert im Bund-Länder-
logy of Life, Light and Matter (LL&M) als eine tragende
Forschungssäule zu etablieren. LL&M hatte zum Ziel,
Wissenschafts- und Technikdisziplinen der Photonik,
Katalyse und Engineering, regenerativen Medizin und
Simulationstechniken miteinander zu verknüpfen. Da-
mit waren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
aus fünf Fakultäten der Universität sowie den Leibniz-
Instituten für Atmosphärenphysik (IAP), für Katalyse-
forschung (LIKAT) sowie für Ostseeforschung (IOW)
aufgerufen, dem Forschungsstandort ein sichtbare-
res Profil zu geben. Das Spektrum der Fragestellungen
reichte von grundlegenden Problemen wie dem Zusam-
menspiel von Licht und Materie über die Entwicklung
chemischer und biologischer Wirkstoffe bis zu biome-
dizinischen Applikationen. Fokus war die Auswirkung
von mikroskopischen – das heißt vor allem von mole-
kularen – Effekten auf makroskopische Systeme. Somit
stand die Erforschung von atomaren und molekularen
Eigenschaften im Vordergrund, um mit den Erkennt-
nissen beispielsweise neue Materialien für technische
oder biomedizinische Aufgaben zu entwickeln und de-
ren Funktionalität zu steuern.
8 Traditio et Innovatio – Zehn Jahre Interdisziplinäre Fakultät 2017
Programm Forschungsbauten an Hochschulen, stellt den Das Department
Wissenschaftlern weitere 2500 m² hervorragend ausge- bündelt die
statteter Labors zur Verfügung. Fünf Kompetenzzent- Kompetenzfelder:
ren konnten inzwischen eingerichtet und nach entspre- Photonik, Katalyse,
chenden Antragstellungen mit zum Teil einzigartigen Medizin und Simula-
Großgeräten ausgestattet werden, siehe Seite 22 dieses tionstechnologien.
Magazins. Die folgenden Beiträge illustrieren exempla-
risch gegenwärtige Aktivitäten und geben Einblicke in
die Forschungsinfrastruktur.
Nicht weniger wichtig sind das Graduiertennetzwerk weiter bündeln und ausbauen. Die sich in Vorbereitung
LL&M, die regelmäßigen Hausversammlungen, Tagun- befindenden koordinierten Forschungsvorhaben (Phy-
gen und Seminare. Sie tragen dazu bei, die gemeinsame sik-SFB im Forschungsbereich zu Licht & Materie, DFG-
Sprache weiterzuentwickeln und dem wissenschaftli- GRK Ladungstransfer in Hybridsystemen, DFG-Forscher-
chen Nachwuchs das Forschen an der Schnittstelle zwi- gruppe Photokatalyse, etc.), der Ausbau mit weiteren
schen den Disziplinen zu erleichtern. erstklassigen Methoden und Geräten sowie die Nach-
wuchsförderung sind wichtige Elemente, LL&M im in-
ternationalen Wettbewerb nachhaltig gut aufzustellen
Wo möchten wir und dazu beizutragen, den Standort Rostock als wis-
in 10 Jahren stehen senschaftlichen Leuchtturm weiterzuentwickeln. Eine
besondere Herausforderung sehen wir in einer für das
Interdisziplinäre Forschung zwischen den Natur-, Le- Department nachhaltigen Berufungspolitik der Univer-
bens- und Ingenieurswissenschaften gerät zunehmend sität mit dem Ziel, gemeinsam mit den Fakultäten fach-
in den Fokus internationaler Anstrengung. Um auch liche Defizite zu identifizieren und so alle Kernbereiche
weiterhin sichtbar zu bleiben, müssen wir unsere Ex- von LL&M kompetent zu besetzen. Damit geht eine dy-
pertisen, wie z. B. die Funktionalisierung auf der Nano- namische Ausgründungskultur mit ersten vielverspre-
meter-Skala, die (Photo-)Katalyse, Wechselwirkungs- chenden Beispielen einher. In einem zukünftig anzu-
prozesse biologischer Systeme und Quanteneffekte, siedelnden Technologiezentrum könnte zudem ein
interdisziplinärer Wissens- und Technologiepark mit
hoher Ausstrahlkraft entstehen. Anwendungsfragen
wie die Umwelt- und Gesundheitsverträglichkeit von
Partikelemissionen, nachhaltige Technologien mittels
Photokatalyse oder die Biosensorik rücken dabei zu-
nehmend in den Vordergrund, beruhen sie doch unmit-
telbar auf in LL&M stark erforschten Vorgängen an mik-
ro- und nanostrukturierten Grenzflächen.
Mit den folgenden Ausführungen nehmen wir Sie mit auf
einen kurzen Ausflug in die Welt des Departments LL&M.
Wir wünschen eine angenehme Lektüre!
Karl-Heinz Meiwes-Broer, Leiter LL&M
Susanne Radloff, Koordinatorin
Der Forschungsbau
des Departents LL&M
auf dem Südstadt-
Campus
Universität Rostock 9
Department Leben, Licht und Materie
Die Form macht
den Unterschied
Die Kombination von Ultrakurzpulslasern und Pulsformung eröffnet
neue Bearbeitungsmöglichkeiten für Materialoberflächen
Ultrakurze Laserblitze mit Längen von nur einigen Fem- len Fällen von der exakten zeitlichen Pulsform ab. Zum
to- oder Pikosekunden (10 -14 bis 10-12 s) legen in dieser Beispiel kann man in Gläsern oder Kunststoffen beson-
Zeitspanne eine Entfernung von lediglich tausendstel ders feine Löcher erzeugen, wenn die Energie in meh-
Millimetern zurück, wohingegen Licht in einer Sekunde reren direkt aufeinanderfolgenden Pulsen mit anstei-
300.000 km weit kommt! Treffen solche Laserpulse auf gender Amplitude angeboten wird. Um die Pulsform
die Oberfläche eines Festkörpers, werden Atome oder frei gestalten und optimieren zu können, nutzt man
Moleküle freigesetzt, idealerweise ohne dass zusätz aus, dass ultrakurze Laserpulse nicht aus Licht einer
liche Wärme entsteht. Dies ist die Grundlage für ‚kaltes‘ scharfen Wellenlänge bestehen, sondern automatisch
Schneiden oder Abtragen, ein Verfahren, das sich gegen- umso mehr Farben besitzen, je kürzer der Puls ist. Bei
wärtig stürmisch von einer Nischentechnologie zu einer der Pulsformung wird nun das Spektrum mit einem Git-
universellen Methode entwickelt. Die kurze Pulsdauer ter aufgefächert und durch eine schaltbare Flüssigkris-
geht mit einer extrem hohen Spitzenleistung einher, wo- tallmaske geleitet. Im Ergebnis entstehen Pulse, denen
mit sich bei geringem Wärmeeintrag Material wirksam man nahezu jeden beliebigen zeitlichen Intensitäts-
abtragen lässt – ein ideales Werkzeug für die Mikrome- verlauf aufprägen kann. So ergibt sich ein riesiger Pa-
chanik, für mikroskopisches Bohren und Schneiden. Die rameterraum für neuartige Gestaltungen von Material-
Abbildung 1 zeigt eine solche, durch ultrakurze Laser- oberflächen.
pulse erzeugte Mikrolandschaft.
In der Arbeitsgruppe Angewandte Laserphysik von Rigo
Da die Lichtenergie im Brennpunkt so kurz wirkt, dass Peters werden im LL&M Verfahren entwickelt, um mit-
die Wärme nicht in das unbestrahlte Gebiet rundum ab- hilfe von Ultrakurzpulslasern und der Pulsformung
fließt, garantiert dieses glatte und präzise Schneidkon- Oberflächen auf der Mikro- oder Nanometer-Skala zu
turen. Es gibt auch zahlreiche chirurgische Anwendun- strukturieren. Es lässt sich zum Beispiel einstellen, ob
gen. So kann ein Ultrakurzpulslaser winzige Löcher in die bestimmte biologische Zelltypen eine Implantatober-
Herzwand bohren, um Muskeln, deren Blutgefäße irrepa- fläche besiedeln oder meiden, was für die Funktionsfä-
rabel verstopft sind, mit sauerstoffreichem Blut zu ver- higkeit eines Implantats entscheidend sein kann. Die
sorgen. Das sie umgebende Gewebe wird geschont. Eine elektronenmikroskopische Aufnahme in der Abbildung
andere Anwendung betrifft die „Operation am geschlos- 2 zeigt das Beispiel einer laserstrukturierten Oberflä-
senen Auge“ ohne thermische Schädigung von Nachbar- che, die Besiedlungstests mit MG-63 Osteoblasten-Zel-
gewebe. len unterzogen wurde.
Darüber hinaus können durch das Zusammenspiel von Für die Pulsformung wird eine Bearbeitungsanla-
ultrakurzen Zeiten und höchsten Intensitäten auf der ge, bestückt mit Ultrakurzpulslasern der neuesten
bestrahlten Fläche Mikro- und Nanostrukturen ent- Generation, mit einem Pulsformer kombiniert. Die
stehen, mit denen sich Oberflächeneigenschaften ver- Charakterisierung der gefertigten Strukturen und
ändern und steuern lassen. Das Ergebnis hängt in vie- Oberflächen erfolgt in Kooperation mit den Kompe-
10 Traditio et Innovatio – Zehn Jahre Interdisziplinäre Fakultät 2017Abbildung 1: Konfokalmikroskopische
Aufnahme einer mittels Femtosekundenpulsen
strukturierten Titanoberfläche.
Abbildung 2:
Elektronenmikroskopische
Aufnahme einer laserstrukturierten
Oberfläche mit Osteoblasten-Zellen.
Susanne Stählke, Zellbiologie, UMR
tenzzentren „Intersurf“ sowie „Mikroskopie und Spek- tonisch so zu verändern, dass sie spezielle Funktio-
troskopie“. Dabei kann auf umfangreiche Erfahrungen nen übernehmen. Um dieses Ziel zu erreichen, wur-
zurückgegriffen werden, die im Zuge der gemeinsa- de von einem Konsortium aus Wissenschaftlern und
men Arbeiten im Landesexzellenzprojekt „Neuarti- Unternehmen der Region unter der Federführung von
ge Verfahren und Produkte durch Einsatz ultrakurzer Rigo Peters der Wachstumskern „MikroLas – Surfaces
Laserpulse in der Materialbearbeitung“ und dem in- shaped by photonics“ initiiert, welcher vom BMBF von
terdisziplinären Verbundprojekt „REMEDIS – Höhere 2017 bis 2020 mit einer Gesamtsumme von 7 Mio. € ge-
Lebensqualität durch neuartige Mikroimplantate“ ge- fördert wird. Er vereint innovative Technologien ver-
sammelt wurden. Wesentliche Prozesse während der schiedenster Forschungsbereiche der Ultrapräzisi-
Wechselwirkung von Laserpulsen mit Materie und der onsbearbeitung und entwickelt sie gezielt für die
sich anschließenden Dynamik sind noch unverstanden industrielle Fertigung und die Realisierung prototypi-
und Gegenstand aktueller Forschung im Institut für scher Anwendungen weiter. Die Grundlage bilden da-
Physik und dem Department LL&M. Dazu dient unter bei zeitlich geformte, ultrakurze Laserpulse und deren
anderem ein neues Ultrakurzpuls-Lasersystem im For- Kombination mit Atmosphärendruckplasmen. Wäh-
schungsbau, an dem dünne Folien mit intensiven Pul- rend erstere Bearbeitungsgenauigkeiten und Struktur-
sen bestrahlt und die Entstehung und Entwicklung der größen von wenigen 100 Nanometern in einer kalten
dabei auftretenden Plasmen in Beugungsexperimen- Bearbeitung ermöglichen, erlauben Atmosphären-
ten mit höchster Zeitauflösung analysiert werden. druckplasmen die flächige Funktionalisierung und Ak-
Hier kommen die Erfahrungen zum Tragen, die im DFG- tivierung sowie, in Kombination mit ultrakurzen Laser-
Sonderforschungsbereich 652 am Institut für Physik pulsen, die gezielte Beschichtung oder Strukturierung
gesammelt wurden. von Oberflächen mit lateralen Abmessungen bis hin-
unter in den Mikrometerbereich.
Die Erkenntnisse sollen nun dazu genutzt werden,
technische und medizinische Oberflächen rein pho- Rigo Peters, Stefan Lochbrunner
Universität Rostock 11Department Leben, Licht und Materie
Lernen, den
Herzmuskelzellen
zuzuhören
Nanosonden zur Charakterisierung einzelner
Herzschrittmacherzellen
Abbildung 1:
Phasenkontrast-
mikroskopie von
Herzschrittmacher-
zellen.
Es ist eine der größten Hoffnungen der Medizin: Tis- aus Hautzellen von Patienten hergestellt werden kön-
sue-Engineering. Gemeint ist die Kultivierung in der Pe- nen. Abgesehen von ihrer zukünftigen Nutzung als „ech-
trischale, also z. B. gezüchtetes Herzgewebe. Der Weg te“ Herzschrittmacher (im Gegensatz zum künstlichen
dorthin erscheint noch weit, aber Wissenschaftler aus Schrittmacher), könnten patientenspezifische Herz-
Rostock tragen mit ihrer Grundlagenforschung einen schrittmacherzellen in der Petrischale individualisierte
Teil dazu bei. Projekte im Department konzentrieren Wirkstofftests ermöglichen. Während einfache Misch-
sich auf impulsgebende Schrittmacherzellen. Von die- kulturen aus von Stammzellen abgeleiteten Herzmus-
sen wird die Herzkontraktion durch einen elektrischen kelzellen bereits erhältlich sind, fehlen bisher Verfah-
Impuls ausgelöst. Um bei der Gewinnung der Zellen rensweisen zur Herstellung von reinen Kulturen der
nicht auf Menschen oder Tiere zurückgreifen zu müssen, beiden anderen Zelltypen (Hauptkammer- und Vorhof-
haben die Biologen die Erzeugung solcher Schrittma- zellen). Darum wird es entscheidend sein, Technologien
cher-Zellen mittels gezielter Programmierung von kul- zu entwickeln, die den Erfolg der Stammzellenprogram-
tivierten Stammzellen benutzt und weiterentwickelt. mierung zuverlässig überwachen. Die Wissenschaftlerin-
[Jung2014, Yavari2017] nen und Wissenschaftler im Forschungsbau setzen auf
die Erforschung der Nanostruktur einzelner Schrittma-
Reprogrammierung etablieren cherzellen und ihrer elektrischen Aktivität. Die Ergebnis-
se könnten einen Schlüssel zur Überwachung der erfolg-
Diese sogenannten induzierten pluripotenten Stamm- reichen Spezialisierung, auch Differenzierung genannt,
zellen („iPSCs“) sind ethisch unbedenklich, da sie z. B. in den jeweils erwünschten Herzmuskelzelltyp liefern.
12 Traditio et Innovatio – Zehn Jahre Interdisziplinäre Fakultät 2017Mit der Nanosonde ‚abhören‘
Im Raster-Ionen-Leitfähigkeits-Mikroskop (SICM) des
Kompetenzzentrums Intersurf (Infobox Seite 22) tastet
eine Nanopipette als Sonde lebende Herzschrittmacher-
zellen ab (Abbildung 2). Bei dieser Methode dient ledig-
lich der Ionenstrom als Wechselwirkungssignal, sodass
man die Zell-Nanostruktur sowie ihre Änderungen ohne Abbildung 3:
einzuwirken verfolgen kann. In Abbildung 3 ist das Er- Quasi-3D-Darstellung
gebnis der Ionenstrommessung des Höhenprofils einer einer SICM-Morphologie einer
Schrittmacherzelle gezeigt. Einige Ausläufer der spin- Schrittmacherzelle. L.Groß
nenförmigen Zelle befinden sich an der Oberfläche, an-
dere bewegen sich frei im Medium. Im SICM lässt sich das
zeitliche Verhalten der Zellhöhe oder des Ionenstroms Medikamententests
an definierten Orten auf der Zelle erfassen. Es werden die in der Petrischale
Signale im Bereich von wenigen Hertz bei Höhen- bzw.
Stromamplituden im Bereich von Mikrometern bezie- Das Verständnis der Nanostruktur und die Verfügbarkeit
hungsweise wenigen 100 Pikoampere beobachtet. Diese der Zellen im Labor können in einem zweiten Schritt ge-
ersten Untersuchungen zeigen, dass Schrittmacherzel- nutzt werden, um die Reaktion der Zelle als lokalen Sen-
len charakteristische dreidimensionale Strukturen mit sor für Vorgänge in deren direkten Umgebung zu nutzen.
typischen Fortsätzen aufweisen. Auch der zeitliche Ver- Anwendungsbeispiele wären die Wirkstoffentwicklung
lauf des Schlags von einzelnen Zellen kann mit der Na- oder die Überwachung von Wasser-, Medium- bzw. Luft-
nopipette abgeleitet werden, siehe auch die Abbildung qualität. Die Detektionsmethoden würden die oben ge-
auf S. 23, unten. Einer der nächsten wichtigen Schritte ist nannte lokale Detektion von Ionenströmen und den Lu-
die hochaufgelöste Strukturabbildung der drei verschie- mineszenznachweis umfassen.
denen Herzmuskelzelltypen. Das Kontraktionsmuster
soll dann mit dem jeweiligen Ort auf der Zelle (z. B. auf Ein gemeinsames langfristiges Ziel ist es daher, eigene
den Fortsätzen bzw. dem Zellkörper) in Korrelation ge- Testverfahren für die Schrittmacherzellen zu entwickeln.
bracht werden. Da diese Zellen des Herzens eigenständig ein rhythmi-
sches elektromechanisches Signal aufweisen, sind die
Schrittmacherzellen ausgezeichnete Kandidaten, um
Abbildung 2: Schema des Raster-Ionen-Leitfähigkeits- über elektromechanische Ableitungen die biologische
Mikroskops, Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Auswirkung von unmittelbaren Umgebungseinflüssen
Nanopipette. R. Lange zu untersuchen. So könnte die Schlagfrequenz der Herz-
schrittmacherzellen als Antwort auf Umgebungseinflüs-
se dienen. Interessant ist dabei, die Wirkung von Medi-
kamenten, Nanoteilchen, elektromagnetischen Feldern
oder Temperaturschwankungen aufzudecken.
Sylvia Speller, Robert David
Referenzen
Jung J. et al. 2014;
Stem Cell Reports Vol. 2 (Issue 5): p592
Yavari A. et al. 2017;
Nature Communications (8:1258).
Universität Rostock 13Department Leben, Licht und Materie
Kleinste Teilchen
mit groSSer Wirkung
Einfluss von Abgaspartikeln auf lebende Organismen
Luftverschmutzung durch Feinstaubpartikel ist für eine lichen gesundheitlichen Auswirkungen der Emissi-
Zunahme von frühzeitigen Todesfällen verantwort- onen eines Schiffsdieselmotors werden im Kompe-
lich und ruft kurz- und langzeitige Gesundheitsbeein- tenzzentrum Massenspektrometrie (CC MS, siehe Box
trächtigungen wie Asthma oder Krebs hervor. Partikel- auf Seite 26) und in Zusammenarbeit mit dem Lehr-
emissionen von Schiffsdieselmotoren rücken dabei in stuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmoto-
den letzten Jahren verstärkt in den Fokus. Die mög- ren untersucht. Ein Einzylinder-Viertaktforschungs-
B
C
A
D
E
Abbildung 1: Konzept der experimentellen Untersuchungen zur biologischen Wirkung von Schiffsemissio-
nen. (A) Das durch die Verbrennung unterschiedlicher Treibstoffe (Schweröl: Heavy Fuel Oil, HFO und Diesel:
DF) entstehende Aerosol wird verdünnt (B), umfassend analysiert (C) und unter realistischen Bedingungen
mit Lungenzellkulturen in Kontakt gebracht (D). Die biologische Reaktion wird schließlich auf mehreren
funktionellen Ebenen erfasst (E).
14 Traditio et Innovatio – Zehn Jahre Interdisziplinäre Fakultät 2017motor (80 kW) wird mit Schweröl (HFO, von Heavy Fuel aufbau ist auf 37 °C temperiert und auch die Luftfeuch-
Oil, 1.6% Schwefelgehalt) sowie mit Dieselkraftstoff tigkeit entspricht den Bedingungen in der menschlichen
(DF, weniger als 0,001% Schwefel) betrieben. Für ei- Lunge. Auf diese Weise können wir die Verhältnisse im
nen Test (ISO 8178–4 E2) simuliert der Schiffsmotor so- menschlichen Atmungstrakt gut simulieren. Nach der
wohl ein Hafenmanöver als auch Kreuzen auf offenem Inkubation erfolgt eine umfassende biologische Ana-
Meer. Mit verschiedenen Methoden untersuchen die lyse, die unter anderem Auswirkungen des Aerosols auf
Wissenschaftler das emittierte Verbrennungsaerosol Zelltoxizität, Genexpression und RNA-Synthese, Verän-
auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften. derungen der Proteine in den Zellen sowie Stoffwech-
selvorgängen (Metabolismus) beinhalt. Jeweils drei
Exposition von Lungenzellkulturen Messzyklen werden für jeden Kraftstoff durchgeführt
und gegen gefiltertes Abgas abgeglichen, um die Wir-
Parallel zu der Abgascharakterisierung werden Lungen- kung der Teilchenemission herauszuarbeiten. Ein Über-
zellkulturen für vier Stunden direkt an ihrer Oberfläche blick über das experimentelle Konzept der Kampagne
dem Partikel-Luft-Gemisch ausgesetzt. Der Versuchs- ist in Abbildung 1 gezeigt. Fast alle gemessenen anor-
ganischen und vor allem organi-
schen Bestandteile der Partikel
sind bei HFO höher konzentriert
(Abbildung 2). So ist zum Beispiel
die Toxizität durch Polyzyklische
Vanadium Aromatische Kohlenwasserstof-
Nickel fe (angegeben als PAH-toxicity
Σ PAH-toxicity equivalence factor) bei HFO-Par-
equivalence factor
Benz[a]anthracene- tikeln 10-mal höher. Insgesamt
7,12-dione sind auch weit mehr verschiedene
Dotriacontane
Spezies in HFO-Partikeln zu fin-
Chrysene den. Eine bemerkenswerte Aus-
Pentacosane nahme stellte die bei Diesel er-
höhte Fraktion des elementaren
Zinc
17α (H),21β (H)- Kohlenstoffs bzw. des sogenann-
Hopan (Hopan) ten „black carbon“-Gehalts der
Benz[a]pyrene Partikel dar.
Σ PAH
Organic Matter
Particulate Mass (PM)
Abbildung 2: Konzentrations-
1-Nitropyrene HFO (1:100) verhältnis (links) und absolute
* DF (1:40)
Pyrene Konzentration (rechts) wichtiger
Σ Alkylated partikelgebundener Schadstoffe,
phenanthrens emittiert aus dem mit Schweröl
Σ n-alkanes
(HFO) und Diesel (DF) betriebenen
Nonadecane Schiffsmotor. Schwerölpartikel
Black Carbon (optical) enthalten mehr toxische Metalle
und karzinogene Polyaromaten
Elemental Carbon
als die Dieselemissionen, welche
10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
-1 0 1 2 -3 -2 -1 0 1 2
Conc. ratio in exposure Concentration in expo- höhere Anteile an elementarem
aerosol HFO / DF sure aerosol (µg/m )
3
Kohlenstoff (Ruß) aufweisen.
Universität Rostock 15Department Leben, Licht und Materie
Eintrag in
das Meerwasser
Die Ergebnisse legen nahe, dass ein
einfacher Wechsel von HFO zu De-
stillatkraftstoffen allein das Pro-
blem der Schiffsdieselemissionen
nicht lösen kann, da auch das Die-
selabgas negative Auswirkungen
im vergleichbaren oder sogar leicht
größeren Maßstab auf die Zellkul-
turen aufweist. Daher wird an der
Abbildung 3: Links: Die starke Freisetzung von Laktathydrogenase (LDH) Einführung von Abgasreinigungs-
aus der Zellkultur nach Exposition mit Dieselpartikeln (DF) legt eine höhere maßnahmen mittelfristig kein Weg
akute Zelltoxizität im Vergleich zu den Schwerölpartikeln (HFO) nahe. Rechts: vorbeiführen. Allerdings können
Auf stärkere chronische Effekte durch HFO-Partikel, beispielsweise durch beispielsweise Wäscher zur Entfer-
oxidativen Stress ausgelöst, weisen ausgwählte Gene der Transkriptoom nung von Schwefeldioxid aus dem
regulation hin. Abgas zu einem Eintrag von Schad-
stoffen in das Meerwasser führen.
Biologische Wirkung Solche anthropogenen Belastungen wie auch Einträge
durch industrielle Produktion oder Landwirtschaft hin-
der Abgase terlassen dann deutliche Signale im Wasser und den Se-
Überraschenderweise zeigen Dieselpartikel ähnlich dimenten der Ostsee. In den Sedimenten halten sich die
hohe und teilweise sogar größere Beeinflussungen der Einträge teilweise über viele Jahre. Das zeigen langjäh-
Gene und Proteine auf als HFO-Partikel. Dies zeigt sich rige Untersuchungen am Leibnitz-Institut für Ostsee-
beispielsweise in Abbildung 3 links, in der die höhe- forschung. In Messungen des Meerwassers sind hohe
re Freisetzung von Laktatdehydrogenase (LDH) aus der Konzentrationen von Insektiziden aus der Gruppe der
Zellkultur für die DF-Partikel auf eine höhere akute Zell- Hexachlorcyclohexane zu sehen. Deren Einsatz ist seit
toxizität der DF-Partikel im Vergleich zu den HFO-Parti- etwa 40 Jahren verboten. Seit den 1990er Jahren sind
keln hinweist. deutliche Abnahmen in der marinen Umwelt nachzu-
weisen. Geringste Spuren von Rückständen lassen sich
Chronische Effekte, die z. B. durch oxidativen Stress ver- mithilfe der GC-Massenspektrometrie identifizieren, ei-
ursacht werden, können – wie die Transkriptomregu- ner Methode, die mehrfach im Umfeld von LL&M einge-
lation ausgewählter Gene zeigt (Abbildung 3 rechts) – richtet ist. An Feinstaub gebundene Schadstoffe werden
durch HFO-Partikel stärker induziert werden. Das zeigt, über die Atmosphäre herangeführt und gebunden in die
dass eine Partikelfiltration für die Schiffsemissionen aus Ostsee eingetragen. Darunter sind die ökologisch wich-
beiden Kraftstoffen wünschenswert wäre, um Gesund- tigen Polyzyklischen Aromatischen Kohlenwasserstof-
heitseffekte zu minimieren. fe (PAK) aus Schiffsemissionen. Für diese Substanzgrup-
pe erwarten wir in Zukunft durch neue Abgaswäscher
Die biologischen Daten zeigen umfassende Verände- (Scrubber) veränderte Eintragswege. Die Untersuchung
rungen im zellulären System. Allerdings sind die mikro- der Effektivität und Optimierung von Scrubbern ist der-
skopischen Mechanismen der Interaktionen zwischen zeit Ziel eines interdisziplinären Forschungsantrags.
Nanoteilchen und biologischen Systemen nicht aufge-
klärt – eine wichtige Aufgabe für zukünftige Untersu- Ralf Zimmermann,
chungen in LL&M. Johannes Passig, Detlef Schulz-Bull
16 Traditio et Innovatio – Zehn Jahre Interdisziplinäre Fakultät 2017Auf der Suche nach
dem idealen
Abschreckmedium
Interdisziplinäre Forschung an ionischen Flüssigkeiten
Die Wärmebehandlung und insbesondere das Abschre- gen. Daraus resultiert eine nur mittelmäßige Abkühl-
cken (rasches Abkühlen) heißer Bauteile von Temperatu- wirkung und eine aufwändige anschließende Bauteilrei-
ren im Bereich von ca. 500 bis 1000 °C ist meist ein zent- nigung. Die dritte große Gruppe der Abschreckmedien
raler Bestandteil in der Fertigung metallischer Bauteile. stellen Gase dar. Sie kühlen besonders gleichmäßig,
Das Abschrecken wird in der Regel durch Eintauchen der aber auch relativ langsam ab. Darüber hinaus ist der
Bauteile in Flüssigkeitsbäder vorgenommen. Dies mag Aufwand einer Gasabschreckung vergleichsweise hoch.
auf den ersten Blick trivial erscheinen, ist aber hoch-
komplex und besitzt einen enormen Einfluss auf spä-
Das ideale Abschreckmedium
tere Eigenschaften eines Bauteils, wie Festigkeit oder
Geometrieänderungen. Dabei werden drei wesentliche Ein ideales Abschreckmedium müsste demnach bei
Anforderungen an den Abschreckvorgang gestellt: Er Raumtemperatur flüssig sein, aber beim Kontakt mit
muss schnell, gleichmäßig und mit möglichst geringem dem heißen Bauteil nicht verdampfen. Hier fällt das
Aufwand realisierbar sein. Augenmerk auf ionische Flüssigkeiten (IL), also auf
schwer verdampfbare Salze mit Schmelztemperaturen
Verschiedene Abschreckmedien von weniger als 100 °C. Diese Systeme werden auch in
Rostock, im Umfeld vom LL&M in den Arbeitsgruppen
Es kommen verdampfende und nichtverdampfende Kragl, Ludwig, Köckerling und Verevkin, seit einigen
Flüssigkeiten, bezogen auf die Eintauchtemperatur,
oder Gase zum Einsatz. Verdampfende Flüssigkeiten,
insbesondere Wasser, werden am häufigsten verwen-
det. Die Vorteile sind eine hohe Abschreckgeschwindig-
keit und eine einfache Anwendung. Einen großen Nach-
teil verdampfender Abschreckmedien stellt die Bildung
einer wärmeisolierenden Dampfschicht an der Probeno-
berfläche, der Leidenfrost-Effekt, dar. Diesen Effekt
kann man beim Kochen beobachten, wenn Wasser auf
eine heiße Herdplatte trifft und dieses nicht sofort voll-
ständig verdampft, sondern sich für mehrere Sekunden
auf einer dünnen Dampfschicht tanzende Tropfen bil-
den. Diese zunächst isolierende Dampfschicht reißt auf
einem Bauteil ungleichmäßig auf und versursacht somit
eine ungleichmäßige Abschreckung. Salz- oder Metall- Abbildung 1: Ionische Flüssigkeiten, hier durch Num-
schmelzen als nichtverdampfende Abschreckmedien mern markiert, zeichnen sich durch unterschiedliche
ermöglichen eine gleichmäßigere Abschreckung, müs- thermische Stabilitäten aus. Die drei für die Abschre-
sen aber mit hohen Aufwand betrieben werden, da ihre ckungsversuche genutzten Systeme sind hervorgehoben.
Schmelztemperaturen deutlich oberhalb von 200 °C lie- Christin Neise, Dissertation Rostock, 2016
Universität Rostock 17Department Leben, Licht und Materie
Abbildung 2: Zeitlicher Verlauf
der Abschreckung einer Stahlprobe
(850 °C) in ionischer Flüssigkeit
(links oben: Blasensieden mit
hohem gleichmäßigem Wärme
übergang) und Leitungswasser
(links unten: zunächst ausgeprägter
isolierender Dampffilm, Pfeile
zeigen Zusammenbruch des
Dampffilms, dadurch lokal ungleich-
mäßige Abkühlung).
Rechts der Versuchsaufbau.
Dissertation. M. Österreich,
Universität Rostock, 2017
Jahren im DFG-Schwerpunktprogramm SPP1191: Io- liche Hochgeschwindigkeitsvideoaufnahmen ermögli-
nische Flüssigkeiten wissenschaftlich intensiv unter- chen ein tieferes Verständnis der Vorgänge während der
sucht. Technische Anwendung finden sie als Lösemit- Abkühlung.
tel, Katalysator, Schmiermittel oder Elektrolyt.
Vielversprechende
Intensive Interdisziplinäre Ergebnisse
Forschung
Es zeigt sich, dass mithilfe von IL sowohl schnelle,
Die prinzipielle Anwendbarkeit ionischer Flüssigkei- als auch gleichmäßige Abschreckungen mit reduzier-
ten als Abschreckmedien in der Wärmebehandlung me- tem Leidenfrost-Effekt möglich sind (Abbildung 2).
tallischer Werkstoffe wurde erstmalig im Rahmen eines Dreidimensionale Bauteilvermessungen und Simula-
durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft geförder- tionen belegen, dass Abschreckungen in IL zu einer
ten Projektes an der Universität Rostock untersucht. deutlich geringeren Geometrieänderung führen als in
Durch enge Zusammenarbeit des Lehrstuhls für Werk- herkömmlichen Medien. Durch Zugabe geringer Men-
stofftechnik, des Lehrstuhls für Technische Chemie und gen Wasser lässt sich die Abschreckgeschwindigkeit
der Arbeitsgruppe Polymerphysik im Department LL&M sogar noch erhöhen. Zwei der untersuchten Flüssigkei-
konnten in Verbindung mit dem Kompetenzzentrum ten sind auch bei wiederholten Abschreckungen sta-
°CALOR (siehe Infobox Seite 28) viele Fragestellungen bil und weisen nahezu keine Alterungserscheinungen
dieses neuen Anwendungsgebietes für IL detailliert un- auf. Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse er-
tersucht werden. Nach umfangreichen Tests zur ther- folgte eine Patentanmeldung für dieses neue Anwen-
mischen Stabilität wurden mehrere IL ausgewählt, um dungsgebiet. In einem nächsten Schritt sollen die Vor-
diese für die Abschreckung von Probebauteilen zu ver- teile ionischer Flüssigkeiten an realen Bauteilen unter
wenden (Abbildung 1). Alle ausgewählten Flüssigkeiten industriellen Bedingungen untersucht werden. Ein
besitzen eine Schmelztemperatur unterhalb der Raum- Wermutstropfen besteht in dem noch hohen Kosten-
temperatur. Experimentell (Abbildung 2) wurden ihre aufwand für temperaturstabile IL.
Abschreckeigenschaften ermittelt und mit denen von
herkömmlichen Abschreckmedien verglichen. Zusätz- Olaf Keßler, Christoph Schick, Udo Kragl
18 Traditio et Innovatio – Zehn Jahre Interdisziplinäre Fakultät 2017Nano-Design lässt Zellen auf Implantaten besser anwachsen Einfluss von elektrischen Feldern und Oberflächenladungen auf die Zellvitalität In Deutschland werden jährlich rund 210.000 Hüftim- flächen ist eine gewebestimulierende Bioaktivität not- plantate eingesetzt. Die Erhöhung der Lebensdauer wendig, welche spezifische zelluläre Reaktionen an der von Implantaten ist eine der großen Herausforderun- Grenzfläche hervorruft. gen in der Medizintechnik. Ebenso wichtig wie die Dau- er ist auch die schnelle und erfolgreiche Integration der Mikroskopisch betrachtet erstreckt sich der Kontakt künstlichen Implantate. Für das Anwachsen der mineral- von lebenden Zellen mit Oberflächen (Abbildung 1) bildenden Knochenzellen (Osteoblasten) auf den Ober- über einen Abstand von mehreren zehn Nanometern – Abbildung 1: Adhärierende Zelle auf einer chemisch modifizierten Materialoberfläche mit Ladungsträgern (rot). Sowohl die Zellmembran (braun) als auch die Adhäsionsrezeptoren der Zelle (orange) stehen unmittelbar mit der Oberfläche in Kontakt. Die Nanopipette eines Ionen-Leitfähigkeitsmikroskopes dient zur Feststellung lokaler elektrischer Felder. AG Speller Universität Rostock 19
Department Leben, Licht und Materie
gemessen von der Grenzschicht des Elektrolyten am Topographie. Dazu gibt es folgende Erklärung: Osteo-
Festkörper bis zur Zellmembran. Der Prozess des An- blasten weisen aufgrund der Zusammensetzung ihrer
wachsens, also die Besiedlung der Biomaterialoberflä- Plasmamembran sowie ihrer sphärischen Hülle aus Hy-
che durch Knochenzellen, ist in Etappen gegliedert. Er aluronsäure eine negative Oberflächenladung von ca.
beginnt mit der Adhäsion, gefolgt von der Migration -15 mV auf [Re2016]. Folglich sind positive Ladungs-
entlang chemischer Gradienten oder topographischer träger auf der Materialoberfläche, die durch chemische
Strukturen der Oberfläche. Diese Prozesse werden Modifikation mit Aminogruppen erreicht werden kön-
maßgeblich durch spezifische Adhäsionsrezeptoren nen, dann attraktiv für die Zellen. Die verstärkte Zellad-
der Zellen gesteuert. häsion lässt sich mit elektrostatischen Wechselwirkun-
gen erklären.
Das Anheften
von Zellen unterstützen Das Zellverhalten observieren
Die Adhäsion von Osteoblasten kann durch eine Viel- Kürzlich gelang uns der Nachweis, dass die topogra-
zahl von Parametern der Grenzschicht beeinflusst wer- phisch bedingte „contact-guidance“ durch eine posi-
den. Am bekanntesten ist wohl der Effekt der „con- tiv geladene Plasmapolymerschicht aufgehoben wird.
tact-guidance“ (gemeint ist die Ausrichtung der Zellen Für diese Versuche wurden mikrometertiefe Graben-
entlang einer Materialstruktur), bei der die Zelle ihre strukturen auf Titan mit einer Plasmapolymerschicht
Adhäsionsfläche in topographische Mikrostruktu- „verhüllt“ (Abbildung 2). Obwohl die Zellen normaler-
ren (z. B. Gräben) der Oberfläche einpasst (Abbildung weise eine eindeutige parallele Ausrichtung entlang
2). Mikro- und Nanotopographien weisen gelegent- der Gräben aufweisen, wachsen sie nunmehr „orien-
lich unphysiologische scharfe Kanten auf, die mit lo- tierungslos“ – allein durch eine 25 Nanometer „dicke“
kalisierten elektrischen Feldern verbunden sind, ohne Schicht, die wenig Einfluss auf die Mikrostruktur der
dass eine äußere Spannung angelegt wird. Anderer- Gräben hat. Beschichtungen von Proteinen mit ei-
seits können Zellen auf molekularen Lagen mit posi- ner Oberflächenladung im leicht negativen Bereich
tiv geladenen Endgruppen, z. B. Aminen, beschleunigt konnten diesen Effekt nicht gleichwertig induzieren
sehr große Zellflächen ausbilden, unabhängig von der [Mö2017].
20 Traditio et Innovatio – Zehn Jahre Interdisziplinäre Fakultät 2017Abbildung 2: Zellwachstum
auf Mikro-Grabenstrukturen.
links: Deutlich ist die parallele Aus
richtung der Zellen entlang
der Grabenkanten zu sehen.
rechts: Durch eine positiv geladene,
lediglich nanometerdicke Plasma-
polymerschicht kann diese „contact-
guidance“ aufgehoben werden. Plas-
mabeschichtung: INP e. V. Greifswald,
Birgit Finke; Korrelative Mikroskopie
[Mö2017]: Rasterelektronenmikros
kopie, EMZ, UMR, Marcus Frank, in
Kombination mit Auflicht-Fluoreszenz- Abbildung 3: Simulation des Verhaltens einer Knochen-
mikroskopie zelle (Osteoblast) auf einer gleichmäßigen Anordnung
Rot: Aktinfilamente, Blau: Zellkern; von Mikrosäulen. Dargestellt ist die relative Aktivierung
Henrike Rebl. von Actin-Filamenten in der Zelle.
Die Zellreaktion auf elektrische Felder könnte mit der dynamische und mechanische Effekte (Abbildung 3)
Nanostruktur der Zelle zusammenhängen. Daher un- [Tr2017].
tersuchen wir mit dem Ionen-Leitfähigkeits-Mikro-
skop wechselwirkungsfrei die Änderung der lokalen Im durch die DFG geförderten Sonderforschungsbereich
elektrischen Felder der lebenden Zellen (Abbildung 1). 1270 „Elektrisch aktive Implantate“ (ELAINE) werden
Diese elektrische Ladung ist vermutlich neben der geo- neben dieser viele weitere Fragestellungen untersucht
metrischen Struktur ausschlaggebend dafür, wie gut und fließen u.a. in die Behandlungen von Bewegungs-
die Knochenzellen die Implantatoberfläche anneh- krankheiten mit Hirnstammelektroden und den Kiefer-
men. Eine wichtige wissenschaftliche Fragestellung aufbau nach Kieferresektion ein. Insbesondere werden
besteht in der Wirkung veränderlicher elektromagne- technologische Aspekte verfolgt, um schließlich eine
tischer Felder, beispielsweise von Wechselspannung energieautonome, rückkopplungsgesteuerte Stimula-
oder Licht. tionsplattform zu entwickeln. Diese Studien sind mit
dem Kompetenzzentrum „Surfaces and Interfaces“ (In-
Modellierung über terSurf) des Departments LL&M eng verknüpft (Infobox
CC InterSurf Seite 22).
mehrere Größenskalen
Eine Herausforderung auf theoretischer Ebene ist die J. Barbara Nebe, Ursula van Rienen,
computerbasierte Berechnung des Kontaktes einer le- Sylvia Speller
benden Zelle mit einem Implantatmaterial. Die Abläu-
fe finden auf verschiedenen räumlichen Skalen statt
und schließen biochemische Prozesse ein, die zum Referenzen:
Teil auf molekularer Ebene geschehen. Diese Vorgän- Moerke C. et al. (2017); ACS Applied Materials &
ge lassen sich in Zellen nur mittelbar beobachten. Um Interfaces, 10461
die beteiligten Prozesse besser zu verstehen, werden Rebl H. et al. (2016); Material Science and Engineering
sie numerisch modelliert und auf Rechnern simuliert. C 69 1116
Entsprechende Multiskalenmethoden berücksichti- Truong D. et al. (2017); Finite Elements in
gen interagierende elektrische, chemische, thermo- Analysis & Design, submitted 2017.
Universität Rostock 21Department Leben, Licht und Materie
Impressionen
aus dem
Forschungsbau
LL&M
Kompetenzzentrum InterSurf
InterSurf umfasst Aktivitäten rund um Wechselwirkungen an Oberflächen und in Grenzflächen.
Ziel ist es, „aktive“ Grenzflächen und Strukturen zu verstehen und zu entwerfen, die in einer gewünschten Weise auf
Auslöser aus der lokalen Umgebung, wie Kräfte, elektronische Potentiale und Licht reagieren. Solche Systeme können
in Bezug auf Aufgaben in der Medizin und der Energieversorgung genutzt werden.
Projektfelder • Ralf Ludwig, Physikalische Chemie
• Struktur und Dynamik molekularer Grenzflächen • Karl-Heinz Meiwes-Broer, Cluster und
• Energietransport durch Molekülkristalle Nanostrukturen
• Oberflächenstrukturen für Zellwachstum und • Detlef Behrend, Materialien für die Medizintechnik
Differenzierung • Boris Hage, Experimentelle Quantenoptik
• Einfluss von elektrischen Feldern auf zelluläre • Robert David, Gustav Steinhoff, kardiale
Prozesse Stammzelltherapie
• Auslösen und Monitoring von Prozessen • Jürgen Kolb, Bioelektrik
in lebenden Zellen über Nanosonden
Instrumente
Akteure • Rasterionenleitfähigkeits- und Kraftmikroskope
• Sylvia Speller, Ingo Barke, Oberflächen- und Grenzflä- (SICM, AFM)
chenphysik • Photoemissions-Elektronenmikroskopie (PEEM)
• Barbara Nebe, Kirsten Peters, Zellbiologie • Elektrokinetische Potentialanalyse von
• Ursula van Rienen, Theoretische Elektrotechnik Oberflächen
• Rigo Peters, Angewandte Laserphysik, SLV • Nanoprobing und -manipulation
Mecklenburg-Vorpommern GmbH • Fünf-Achsen-Ultrakurzpulslaserbearbeitung
22 Traditio et Innovatio – Zehn Jahre Interdisziplinäre Fakultät 2017Nanofinger: Können wir einzelne Nanoteilchen oder gar Atome ge-
zielt verschieben und so Landschaften im Nanometerbereich aufbau-
en? Das gelingt mit einem Rastersondenmikroskop, dessen Innerstes
hier gezeigt wird und das über zwei Spitzen verfügt, die sich mit
atomarer Auflösung bewegen lassen.
Zellhöhe in µm
EKG an einer Herz-Schrittmacherzelle: Bereits eine einzige
Herz-Schrittmacherzelle in der Petrischale pulsiert mechanisch
und elektrisch. Mit Nanosonden und Fluoreszenzmethoden lässt
sich die Signaldynamik an verschiedenen Orten einer lebenden
Zelle untersuchen.
Universität Rostock 23Sie können auch lesen
