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Wissenswertes rund um Kunststoff und Kautschuk

Kunststoff und Kautschuk begegnen uns überall im Alltag. Entdecken Sie spannende Geschichten, überraschende Fakten und interessante Hintergründe – von historischen Entwicklungen und bekannten Produkten bis hin zu wichtigen Persönlichkeiten und Innovationen der Branche.

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  • Herausforderungen meistern: Kunststoffe in der Medizintechnik

    Von Guido Deußing Sieht so die Zukunft aus? Sie leiden an Organversagen, sie haben ihr Augenlicht eingebüßt, bei einem Unfall ein Körperteil verloren? Kein Problem. Dank modernster 3D-Drucktechnologie stellen wir die volle Funktionstüchtigkeit ihres Körpers wieder her. Klingt utopisch, und das ist es auch. Anders als so manches andere Lebewesen, ist der Mensch nicht in der Lage, verlustig gegangene Körperteile aus eigener Kraft nachzubilden. Das sieht unser genetischer Bauplan nicht vor. Allerdings arbeitet die Wissenschaft daran, die Vision Wirklichkeit werden zu lassen, aus gezüchteten Stammzellen Organe und Körperteile im Labor herzustellen. Bis es so weit ist, hat die Medizin noch jede Menge Hürden zu nehmen. Hierzu zählt zum Beispiel die Gewährleistung der einwandfreien Funktionstüchtigkeit und Sicherheit von Implantaten. Kunststoffe sind wichtig für die Medizintechnik Laut Fraunhofer Institut für Grenzflächenverfahren (IGB) gehen etwa zwei Prozent der Kunststoffproduktion in die Medizintechnik, zur einen Hälfte in medizinisch-technische Geräte, zur anderen in Verpackungen. Polymere Werkstoffe spielen auch bei der Herstellung von künstlichen Blutgefäßen, Herzklappen, Gelenk- oder Gefäßprothesen und anderen Implantaten eine nicht zu unterschätzende Rolle. Hygienische Einwegspritzen, Blutbeutel, Infusionsflaschen, Handschuhe, aber auch Kontaktlinsen und künstliche Herzklappen sind aus Kunststoff. Die Kunststoffverpackung ist insbesondere für medizinische Anwendungen sehr gut geeignet – dank ihrer außergewöhnlichen Barriere-Eigenschaften, ihrem geringem Gewicht, den niedrigen Kosten, ihrer Dauerhaftigkeit, Transparenz und Kompatibilität mit anderen Materialien. Sie hält das Verpackte wenn nötig steril. [5](Foto: istockphoto) Geschuldet ist dies der Tatsache, dass Kunststoffe über ein ideales Eigenschaftsprofil verfügen. Kunststoffe sind laut Fraunhofer IGB • leicht (Dichte zwischen 0,8 g/cm³ und 2,2 g/cm³), • und flexibel (großes Spektrum von E-Modul und Festigkeit) sind. • Kunststoffe haben eine niedrige Verarbeitungstemperatur (von Raumtemperatur bis 250 °C, Ausnahmen sogar bis 400 °C). • Kunststoffe sind während der Verarbeitung durch Additivierung (Einarbeitung von Füll- und Verstärkungsstoffen, Treibmitteln, Farbstoffen und Wirkstoffen) und Reaktion gut modifizierbar. • Kunststoffe eignen sich für die Großserienfertigung, • erlauben eine hohe Gestaltungsfreiheit, • sind gute biokompatibel, • röntgentauglich und kompatibel mit der Magnet-Resonanz-Tomografie (MRT). Natürlich handelt es sich bei den medizinischen Polymeren nicht um herkömmliche Kunststoffe, sondern um funktionalisierte Produkte, die in der Regel einen aufwendigen Herstellungs-, Verarbeitungs- und Veredelungsprozess durchlaufen haben. Schließlich gilt es auszuschließen, dass der im menschlichen Körper eingesetzte Werkstoff auch über Jahre seine Funktion einwandfrei erfüllt und von ihm zum anderen kein Gesundheitsrisiko ausgeht, sprich, dass etwa Additive aus dem Polymere auslaugen und in den Organismus gelangen und diesen belasten. Ein Gesundheitsrisiko auszuschließen, ist Aufgabe der Qualitätssicherung, die Implantate auf ihre einwandfreie Funktionstauglichkeit zu prüfen hat. Die Experten in der Qualitätssicherung können hierbei jedoch nicht definierte, validierte, sprich allgemein überprüfte und gültige Vorgaben zurückgreifen, wie es zum Beispiel die Pharmaindustrie seit langem der Fall ist. Die Hersteller von Prothesen und Implantaten betreten in puncto Produktkontrolle regelrecht Neuland, orientieren sich dabei aber der Einfachheit halbe an den Erfahrungen und Prozeduren der arzneimittelherstellenden Industrie, die hierfür spezielle Studien durchführt. Das Deutsche Kunststoffmuseum über polymere Werkstoffe in der Medizin Untersuchungen sind ein Muss Ein Blick hinter die Kulissen der Pharmaindustrie: Medikamente und deren Inhaltsstoffe dienen der Gesundheit, sie sollen den Patienten nicht krankmachen. Dieses Risiko besteht aber, wenn Chemikalien oder schädliche Stoffe aus der Verpackung in das Arzneimittel migrieren oder unmittelbar im Präparat entstehen. Es ist Sache der Arzneimittelhersteller, ein solches Unterfangen frühzeitig zu erkennen: Im Zuge sogenannter „Extracables“-Studien werden Arzneimittelverpackungen in simulierten „Worst-Case“-Szenarien auf migrierende beziehungsweise auslaugende Chemikalien untersucht, wobei die unbeschädigte Verpackung mit Lösemitteln unterschiedlicher Polarität und bei erhöhter Temperatur extrahiert wird. Man analysiert die Extrakte und die darin enthaltenen Analyten, um einen Überblick zu bekommen, welche Verbindungen das Medikament kontaminieren könnten. Die als kritisch eingestuften Substanzen werden schließlich in „Leachables“-Studien im Arzneimittel selbst mittels validierter Methoden bestimmt. [1] Erst Mitte des vergangenen Jahrhunderts begannen Ärzte, Kunststoff breit einzusetzen. Im Laufe der Zeit wurde das Potenzial von Kunststoff erkannt und heute werden in der Medizintechnologie weitgehend speziell angefertigte Polymere eingesetzt. Kunststoffe werden heute für orthopädische Zwecke genutzt, wo sie begradigen, stützen, korrigieren oder die Funktion beweglicher Körperteile verbessern oder gar ersetzen. Kunststoffprothesen oder -orthesen können einen Körperteil ersetzen und seine Hauptfunktion übernehmen. [5] (Foto: istockphoto) Auch Implantate müssen sicher sein Vergleichbar der Pharmaindustrie geht es Herstellern medizinischer Implantate und Prothesen; auch sie sind gehalten, ihre Produkte, bei denen es sich häufig um Materialkombinationen bestehend aus Metall und Kunststoff handelt, auf das Vorhandensein oder das Entstehen von Verbindungen zu untersuchen, die im Verlauf der Anwendung in-vivo , sprich im menschlichen Organismus, migrieren und zu einer Belastung oder Gefährdung des Patienten führen können. Dieser Sachverhalt macht auch Implantate und Prothesen zum Gegenstand von E&L-Studien. Anders als im Fall von Arzneien existieren für Implantaten und Prothesen bislang jedoch keine verbindlichen Richtlinien oder Vorgaben für die Durchführung von E&L-Studien, bemerkt Gyorgy Vas. Aus diesem Grund orientierten sich der bei der in USA ansässigen Firma intertek beschäftigte Wissenschaftler bei seiner im weiteren Verlauf beschriebenen Implantat-Forschung an der Art und Weise, wie die Pharmaindustrie E&L-Studien gemäß geltender Normen und Regelwerke durchführt, sowie an den Vorgaben des Product Quality Research Institute (PQRI), einer US-Non-Profit-Organisation, die für genotoxische beziehungsweise kanzerogene Leachables 150 Nanogramm pro Tag als Migrationsgrenzwert für zulässig erklärt [2]. Moderne Medizin ohne Kunststoff, das ginge nicht: Hygienische Einwegspritzen, Blutbeutel, Infusionsflaschen, Handschuhe, aber auch Kontaktlinsen und künstliche Herzklappen sind aus Kunststoff. Die Kunststoffverpackung ist insbesondere für medizinische Anwendungen sehr gut geeignet – dank ihrer außergewöhnlichen Barriere-Eigenschaften, ihrem geringem Gewicht, den niedrigen Kosten, ihrer Dauerhaftigkeit, Transparenz und Kompatibilität mit anderen Materialien. Sie hält das Verpackte wenn nötig steril. [5] (Foto: istockphoto) Nicht gleich, aber vergleichbar Zwar bezieht sich das PQRI bei seiner Vorgabe auf Resultate, die im Zuge der Untersuchung von Inhalationspräparaten gewonnenen wurden. Vas und Kollegen bewerteten diesen Ansatz jedoch als „konservativ“ im Sinne einer größtmöglichen Sicherheit für den Patienten und damit als probate Grundlage für das eigene Forschungsvorhaben, schreiben Vas et al. im Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis [3]. In ihrem Beitrag berichten die Wissenschaftler davon, wie sie aus medizinischen Implantaten, namentlich Tibia-Knie-Inserts, mittels einer analytischen Trenn- und Analysentechnik, genauer gesagt der Gaschromatographie in Verbindung mit der Massenspektrometrie (GC/MS) und einer speziellen Anreicherungstechnik, auslaugbare Komponenten (Leachables) bestimmt haben. Ziel ihrer Arbeit sei es gewesen, eine „systematische Vorgehensweise für die Identifizierung und Quantifizierung antioxidans-bezogener auslaugbarer Stoffe aus mit gammastrahlen behandelter polymerer Knieimplantate zu entwickeln“. Von Zusätzen und Rahmenbedingungen Die von Vas et al. untersuchten Tibia-Knie-Inserts werden aus einem Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) hergestellt, das nach dem Formprozess mit einer sehr hohen Dosis Gammastrahlen vernetzt und sterilisiert wird. Während durch die Vernetzung die mechanischen Eigenschaften des Kunststoffs verbessert wird, können im Verlauf dieses Prozesses freie Radikale, sprich: überaus reaktionsfreudige und gleichsam zellschädigende Verbindungen entstehen, die das Material angreifen und seine chemische und mechanische Langzeitstabilität beeinträchtigen. Um einen Oxidationsprozess im Kunststoff zu unterbinden und die Produktstabilität zu verbessern, wird dem Polymer ein Antioxidans, zum Beispiel Pentaerythritoltetrakis [3-(3,5-di-tertiär Butyl-4-Hydroxyphenyl)Propionat] (PBHP), beigemischt. Aufgabe des PBHP ist es, die gebildeten freien Radikale zu entfernen, oxidative Reaktion im Kunststoff zu verhindern und die Langzeitstabili-tät des Produkts zu verbessern. Synthetisches Material spielt auch eine lebenswichtige Rolle für kranke Arterien, die nicht über eine Gefäßstütze behandelt werden können. Ein kranker Abschnitt der Aorta wird entfernt, und die Lücke wird mit Hilfe einer biegsamen Kunststoffprothese geschlossen. Die Lebensader des Körpers ist wieder voll funktional. [5] (Foto: istockphoto) Wo Licht ist, da ist auch Schatten PBHP kann allerdings einem eigenen Zersetzungsprozess unterliegen, in dessen Folge Abbauprodukte aus dem Implantat in das umliegende Gewebe einwandern (migrieren) könnten. Die Identifizierung und Bestimmung solcher PBHP-Abbau- oder Nebenprodukte – es wurden insgesamt 16 an der Zahl festgestellt – in simulierten in-vivo -Experimenten im Knieimplantat, dessen Lebensdauer zwischen zehn und 30 Jahren datiert, erweise sich als zwingend erforderlich, betonen die Wissenschaftler. Großformatige Produkte, im vorliegenden Fall also Implantate, erfordern allerdings große Volumina biologisch relevanter und damit wässriger Medien für die Untersuchung auslaugbarer Stoffe, um letzten Endes Lösungen zu erhalten, welche die Zielkomponenten in sehr niedriger Konzentrationen erhalten. Die Analyten seien aufzukonzentrieren, schreiben Vas und Kollegen, um eine Quantifizierungen gemäß PQRI-Vorgabe zu ermöglichen. Die Probenvorbereitung sei dabei, am Rande bemerkt, auf herkömmliche Weise durchgeführt, zeitaufwendig und, aufgrund der erforderlichen großen Mengen organischer Lösemittel, ökonomisch und ökologisch fragwürdig. Die Quantifizierung auslaugbarer Stoffe erfordert einen Anreicherungsschritt aufgrund des geringen Gehalts extrahierbarer Stoffe im wässrigen Medium. Naheliegend wäre es, das Lösemittel zu verdampfen, was indes den Verlust flüchtiger Komponenten und die Bildung von Störstoffen zur Folge haben könnt. Zudem seien die wässrigen Extrakte, die zur Simulierung von In-vivo -Systemen bei Studien über auslaugbare Stoffe verwendet werden, nur schwer GC/MS kompatibel, was letzten Endes einen zweiten Extraktionsschritt mit einem apolaren, GC-gängigen Lösemittel zur Folge hätte. Menschen mit schwerer Hörbeeinträchtigung können heute ein Kunststoffimplantat erhalten, das ihnen das Hören zurückbringt. Dieses Implantat besteht aus zahlreichen Komponenten – einem Mikrophon, einem Übertragungsgerät, das an einen am Körper getragenen Mikrocomputer angeschlossen ist, einem Stimulator und einem Elektrodenträger mit 16 Elektroden für 16 unterschiedliche Frequenzbereiche. Weil es die akustischen Impulse in elektrische Impulse umwandelt, umgeht es die geschädigten Zellen und stimuliert direkt den Hörnerv. [5] (Foto: istockphoto) Ende gut, alles gut Um die komplexen analytischen Herausforderungen zu meistern, favorisierten und validierten Vas et al. für ihr Vorhaben – nach hinreichendem Metho-denvergleich – die Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) mit einem patentierten mit Polydimethylsiloxan (PDMS) ummantelten Extraktionsmedium mit anschließender GC-MS/MS-Bestimmung. Im Gegensatz zu anderen Extraktionstechniken ermöglicht es die SBSE, die auslaugbaren Stoffe in einem einzigen Schritt zu extrahieren und zu konzentrieren – ohne weitere, umfangreiche Probenbearbeitung vor der GC/MS-Analyse. Obendrein verfüge der Twister über eine unvergleichbar größere PDMS beziehungsweise Sorbensmenge als die Solid Phase Micro Extraction (SPME): „Die SBSE ist von Fall zu Fall signifikant sensitiver in Bezug auf den Nachweis organischer Verbindungen aus wässrigen Matrices als die SPME“, konstatieren die Forscher. Gyorgy Vas und Kollegen haben mit ihrer Arbeit eine große Lücke in der Qualitätssicherung von polymerhaltigen Implantaten und Prothesen geschlossen. Mit der von ihnen entwickelten und validierten Analysenmethode konnten sie auslaugbare Komponenten in Spuren (< 150 ng/Tag) aus medizinischen Implantaten bestimmen. Die Methode sei spezifisch für die identifizierten PHBP-Abbauprodukte, sensitiv und genau. Angewandt wurde die SBSE-GC-MS/MS-Methode auf elf Tibia-Knie-Implantate unterschiedlicher Größe, die nicht – wie häufig üblich – nach Manipulation nur in Bruchstücken, sondern im Ganzen extrahiert wurden. Zudem, betonen die Wissenschaftler, ist „der größte Teil der Probenvorbereitung automatisiert oder erfordert nur minimale manuelle Arbeit.“ Es werden keine aggressiven oder gesundheitsschädlichen Lösemittel für die Extraktion eingesetzt, was bei allem Mehrwert obendrein noch das Arbeitsumfeld und damit das Laborpersonal entlaste. Apropos: Wenn Sie mehr erfahren wollen über den Einsatz polymerer Werkstoffe in der Medizin, lohnt sich vielleicht ein Besuch der COMPAMED und auch der MEDICA – Sie sind herzlich willkommen, sich umfassend zu informieren: auf dem Gelände der Messe Düsseldorf oder auch im Internet. Quellen und weiterführende Literatur [1] GERSTEL Aktuell 42 (2010) 15-17 [2] Summary of the PQRI Leachables and Extractables Reconnedations [3] J. Pharm. Biomed. Anal. 74 (2013) 62-70 [4] GERSTEL Aktuell 44 (2011) 18-20 [5] PlasticsEurope

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  • Mikroplastik in Binnengewässern – Bestandsaufnahme in europäischen Flüssen

    Von Guido Deußing Kunststoffe sind synthetische Kreationen aus dem Labor, von Menschenhand geschaffene Materialien und Werkstoffe mit Eigenschaften, die man in der Natur in Form und Kombination eher nicht antrifft. Was mit Blick auf die jeweilige Polymeranwendung segensreich ist, erweist sich für Mutter Natur, die Kunststoffe in ihrem Evolutionskonzept nicht vorgesehen hat, als Fluch. Einmal in die Umwelt eingetragen, können langlebige Kunststoffe zum Problem werden – insbesondere im maritimen Umfeld. Über die starke Verschmutzung der Ozeane durch Kunststoffe und deren Folgen wurde und wird, im Übrigen auch an dieser Stelle (Thema des Monats Januar 2014 und Oktober 2012), bereits umfangreich informiert und berichtet. Wie sich indes der Zustand unserer Binnengewässer gestaltet, darüber ist bislang nur wenig bekannt (siehe auch unser Thema des Monats November 2013). Das soll sich nach den Vorgaben von Industrie, Politik und Wissenschaft alsbald ändern. Der erste Schritt ist getan: Aktuelle Forschungsvorhaben richten einen Fokus auf die Untersuchung von Herkunft, Entstehung und Folgen von Mikroplastik in Binnengewässern, insbesondere in Flüssen. Die Erkenntnis ist nicht neu, und sie wird auch von niemandem ernsthaft abgestritten: Kunststoffe gehören nicht in die Umwelt entsorgt und schon gar nicht ins Wasser. Bislang fehlen allerdings – ungeachtet erfolgreich etablierter Recyclingkonzepte – wirksame Strategien, wie sich dem kollektiven Bewusstsein über Landesgrenzen hinweg einschärfen lässt, Kunststoffe nach ihrer Zeit nicht als Abfall, sondern als Materialien von Wert zu betrachten und ebenso zu behandeln. Hier tut Aufklärung not. Augenblicklich weiß man recht wenig über das Verhalten und den Einfluss von Kunststoffen in und auf Binnengewässer. Der Kunststoffmüll, der – für uns gefühlt weit weg – in den Weltmeeren treibt und vorwiegend über Flüsse eingetragen wird, fällt meist erst dann auf, wenn solcherlei Rückstände und anderer Müll in Küstenregionen anlanden. Vermutlich ist es diesem Sachverhalt zu verdanken, dass über so lange Zeit niemand auf die Idee gekommen ist, Flüsse seien nicht allein Transportweg von Kunststoffrückständen, sondern selbst leidtragendes Objekt weitreichender Folgen des Kunststoffeintrags. Thema des Monats Januar 2014: Polymer(e)re – Zeit, Verantwortung zu übernehmen Thema des Monats Oktober 2012: Müll fischen für Meere ohne Plastik Thema des Monats November 2013: Mehr Nachhaltigkeit und Schutz von Süßwasserseen Entlang der Ufer verkehrsreicher Flüsse finden sich allenthalben Rückstände von Müll und Kunststoffen. (Quelle: Istockphoto) Dass eben dies vermutlich zutrifft, lässt sich trefflich spekulieren bei einem Spaziergang entlang des Rheins oder anderer verkehrsreicher Wasserwege. Bei einer genauen Betrachtung des Ufers werde nämlich deutlich, schildert Sascha Klein, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand am Fachbereich Chemie und Biologie der Hochschule Fresenius in Idstein, dass dort nicht nur Sand und Steine liegen, sondern ebenso jede Menge Plastik. Diese Beobachtung gab den Anlass für eine Forschungsarbeit, die Klein kürzlich vorgestellt hat [1]. Kunststoffe ziehen Chemikalien an In seiner Arbeit reflektiert Klein einerseits über Kunststoffrückstände im Uferbereich, anderseits versucht der Wissenschaftler unter Zuhilfenahme der analytischen Chemie ein Bild davon zu entwerfen, welchen tiefgreifenden Einfluss Polymere auf das aquatische Element und seine Bewohner haben können. Das damit zu rechnen ist, liegt in der Natur polymerer Materialien. Kunststoffe sind überaus robuste, langlebige Gebilde, die zwar Angriffsfläche bieten für zum Beispiel energiereiches Sonnenlicht oder mechanische Belastungen, sich nach dem gegenwärtigen Stand der Dinge jedoch nie ganz auflösen lassen und damit von der Bildfläche verschwinden. Irgendwann zerbröselt ein Kunststoff in immer kleinere, feinere Partikel, sogenanntes Mikroplastik, zu dem, am Rande bemerkt, nicht nur Artefakte zählen, sondern auch Kunststoffgranulate, die bei der Herstellung von Kunststoffprodukten oder in Kosmetika oder Körperpflegeprodukten eingesetzt werden. Die geringe Größe von wenigen Millimetern bis Mikrometern unter darunter macht die Krux von Mikroplastik aus, ebenso der im Folgenden geschilderten Sachverhalt. In der chemischen Analytik benutzt man Kunststoffe wie Polydimethylsiloxan (PDMS) dazu, organische Verbindungen aus flüssigen beziehungsweise wässrigen Medien zu extrahieren, um sie anschließend mit geeigneten chemisch-analytischen Mitteln und Methoden nach Art und Menge exakt zu bestimmen. Zu den für Umweltexperten bedenklichen organischen Verbindungen zählen unter anderem Arzneimittelwirkstoffe, Pestizide, Herbizide, Hormone, polyaromatische und polycyclische Kohlenwasserstoff, Weichmacher [Phthalate] und andere Chemikalien, die aus Sicht ihres Anwendungsfeldes einen tieferen Sinn erfüllen, als Rückstand im Grund- oder Oberflächenwasser jedoch den fiesen Charakter eines Schadstoffs besitzen, der nicht nur die betroffenen Ökosysteme bedroht, sondern auch eine Gefahr für den Menschen darstellt. Aus diesem Grund hat der Gesetzgeber die Menge an Schadstoffe von in Trinkwasser und Lebensmitteln enthaltender Schadstoffe auf ein zulässiges Maß limitiert. Junge Fischlarve (ca. 12 mm) aus der Donau mit einem Plastikpartikel im Darmtrakt. Quelle: R. Krusch Es gilt als physikalische Gesetzmäßigkeit, dass mit der Verkleinerung des Volumens, die Oberfläche eines Körpers im Verhältnis wächst. Je kleiner ein Gegenstand ist, desto größer misst seine Oberfläche. Bezogen auf Kunststoffrückstände in Flüssen und Ozeanen bedeutet das: je kleiner ein Mikroplastikpartikel ist, desto mehr Schadstoffe können sich auch an seiner Oberfläche anlagern. Kling, als habe man damit einen Weg gefunden, die Weltmeere von chemischen Schadstoffen zu befreien. Tatsächlich aber erweist sich Mikroplastik nachweislich als gravierende Gefahr für die im Wasser lebenden Organismen. Unterwegs auf der schönen Donau Alarmierende Ergebnisse liefern Wissenschaftler der Universität Wien, die sich mit dem Ökosystem, der Struktur sowie dem Stoff- und Energiehaushalt von Binnengewässern beschäftigen, sogenannte Limnologen: Im Zuge eines Forschungsprojekts über Jungfische in der Donau führten sie erstmals eine Mengenabschätzung der Plastikfracht in Europas zweitgrößtem Fließgewässer durch. Dabei fanden sie heraus, dass die Donau in den Uferbereichen zwischen Wien und Bratislava mehr Plastikpartikel als Fischlarven mit sich führt [2]. Die Fische wiederum verwechseln die im Wasser driftenden Plastikteilchen mit Nahrung, dazu zählen Kleinkrebse, Insektenlarven oder Fischeier. Was dies zu bedeuten hat, lässt sich an einer Hand abzählen: Die Tiere leiden an Unterernährung infolge eines „vorgetäuschten“ Sättigungsgefühl, an Verstopfung oder Verletzungen des Darmtraktes, was auf kurz oder lang zum vorzeitigen Tod des Tieres führen kann. Vieles weise zudem daraufhin, berichtet die Universität Wien [1], dass die Aufnahme von Plastikpartikeln zu einer Bioakkumulation löslicher Verbindungen (Arzneimittelwirkstoffe, Pestizide, Herbizide, Hormone, polyaromatische und polycyclische Kohlenwasserstoff, Weichmacher [Phthalate] und andere Chemikalien) in der Nahrungskette führen kann. Mit anderen Worten: Am Ende des Tages leidet auch der Mensch, wenn der Fisch als Mahlzeit serviert wird, unter der Belastung der Binnengewässer mit Mikroplastik. Unterschiedliche Kategorien von Plastik, die in der Donau quantifiziert wurden: Pellets (ca. 4 mm Durchmesser), Flocken (ca. 2,8 mm Länge), Kugeln (ca. 2,9 mm), anderes Material (ca. 15,0 mm). Quelle: A. Lechner 4,2 Tonnen Plastik pro Tag In nahezu allen entnommenen Driftproben des Donauwassers fanden sie, fassen die Wiener Forscher zusammen, neben Fischlarven eine beträchtliche Anzahl kleiner, makroskopisch sichtbarer Plastikpartikel. Bei dem überwiegenden Teil (80 %) davon habe es sich um industrielles Rohmaterial in den unterschiedlichsten Variationen wie Pellets oder Flocken gehandelt – was durchaus zu denken gibt. Der übrige Rest habe aus anderen, nicht näher zuordenbaren Teilen bestanden, könne vermutlich dem kommunalen Abfall zugeordnet werden. Unterm Strich kommen die Wissenschaftler zu einem bedenklichen Ergebnis: Wie die Mengenabschätzung zeige, transportiere die Donau zwischen Wien und Bratislava in den Uferbereichen im Durchschnitt 317 Plastikpartikel (4,8 g) und 275 Fischlarven (3,2 g) pro 1000 Kubikmeter Wasser. Konservativ hochgerechnet bedeute dies ein geschätzter Eintrag von rund 4,2 Tonnen Plastikmüll pro Tag aus der Donau ins Schwarze Meer, erklärt Hubert Keckeis vom Department für Limnologie und Ozeanographie der Universität Wien. Nicht beziffern lässt sich bislang die Menge an Schadstoffen, die von Mikroplastikpartikeln absorbiert und letztlich in die Nahrungskette eingetragen werden können. Diesen Aspekt wird sich Sascha Klein von der Hochschule Fresenius in Idstein im Rahmen seiner Forschung noch weiter vertiefen. Mit „Mikroplastik“ beschäftigt sich vertiefend auch unser nächstes Thema des Monats im Oktober. Darin unter anderem k-online im Interview mit dem Wissenschaftler Prof. Dr. Christian Laforsch von der Universität Bayreuth, der zu den führenden Mikroplastik-Forscher in Deutschland zählt. Neue Forschungsprojekte in Kooperation mit den Umweltministerien Bayerns und Baden-Württembergs sollen klären helfen, wie stark Flüsse und Seen in Süddeutschland durch Mikroplastik kontaminiert sind und welche Risiken sich daraus ergeben. Mehr darüber in unserem nächsten Thema des Monats. Autor: Guido Deußing Redaktionsbüro GDeußing 41464 Neuss E-Mail: guido.deussing@pressetextkom.de Quelle: [1] www.hs-fresenius.de [2] Aaron Lechner, Hubert Keckeis, Franz Lumesberger-Loisl, Bernhard Zens, Reinhard Krusch, Martin Glas, Michael Tritthart, Elisabeth Schludermann: "The Danube so colourful: a potpourri of plastic litter outnumbers fish larvae in Europe’s second largest river". In: Environmental Pollution, http://authors.elsevier.com/sd/article/S0269749114000475, DOI: 10.1016/j.envpol.2014.02.006

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  • Mikroplastik in Binnengewässern – Maßnahmen der Stunde

    Binnengewässer sind mit Kunststoffrückständen belastet ebenso wie die Weltmeere. Als problematisch erweist sich die Tatsache, dass Kunststoffe sich offensichtlich weder in Salz- noch in Süßwasser auflösen und spurlos verschwinden, sondern unter Lichteinfluss und mechanischer Beanspruchung in winzig kleine Stücke zerbröseln. Wie sich Mikroplastikpartikel auf die aquatische Welt und die darin lebenden Organismen auswirken, davon berichtete bereits unser Thema des Monats im September 2014. Bislang lässt sich nur spekulieren, welche langfristigen Folgen das hausgemachte Problem Mikroplastik nach sich zieht. Um eine realistische Abschätzung betreiben zu können, braucht die Wissenschaft, die sich erst seit wenigen Jahren intensiv mit dem Thema beschäftigt, noch Zeit. Allerdings ist man sich heute mehr denn je bewusst, dass es geboten ist zu handeln. Gefahr erkannt, Gefahr gebannt? Ein wichtiger Schritt unter vielen werde es sein, meint Professor Christian Laforsch von der Universität Bayreuth im Interview mit k-online, die verschiedenen existenten Methoden und Verfahren, mit denen Mikroplastikpartikel untersucht werden, auf ihre Tauglichkeit und Aussagekraft zu untersuchen und zu harmonisieren. Professor Christian Laforsch, Universität Bayreuth. Foto: LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg k-online: Herr Professor Laforsch, woher stammt das Mikroplastik in den Binnengewässern? Prof. Laforsch: Die Quellen von primärem und sekundärem Mikroplastik lassen sich leider noch nicht benennen. Wir wissen lediglich, dass verschiedene Quellen in Frage kommen. k-online: Worin liegt der Unterschied zwischen primärem und sekundärem Mikroplastik? Prof. Laforsch: Zu primären Mikroplastikpartikeln zählen jene Zutaten, die etwa Haushaltsreinigern sowie Kosmetik- und Körperpflegeartikeln beigemengt werden, um dem resultierenden Produkt eine gewünschte Wirkung zu verleihen. Primäres Mikroplastik gelangt, so lässt sich vermuten, vor allem also über das Abwasser in die Umwelt. Zum primären Mikroplastik werden auch die in der Kunststoffherstellung eingesetzten rohstofflichen Granulate gezählt. Wie diese Granulate ins Wasser gelangen konnten? Wir können nur Vermutungen anstellen: Unfälle, Unachtsamkeit, fahrlässiger Umgang mit Rohstoffen vielleicht. Bei sekundärem Mikroplastik handelt es sich Plastikpartikel die entstehen, wenn zum Beispiel im Wasser treibende Plastikflaschen oder Plastiktüten unter UV-Einstrahlung und mechanischer Belastung zerrieben werden und zerbröseln. k-online: Wann gilt Kunststoff als Mikroplastik? Prof. Laforsch: Als Mikroplastik werden derzeit Plastikfragmente bezeichnet, die kleiner sind als fünf Millimeter (mm). Inzwischen wird zudem unterschieden zwischen großen Mikroplastikpartikeln (5 bis 1 mm), und kleinen Mikroplastikpartikeln (kleiner 1 mm). Perfekte Täuschung: Wasservögel verwechseln Plastik mit Nahrung. k-online: Welche Risiken gehen von Mikroplastikpartikeln aus? Prof. Laforsch: Wir haben bei unterschiedlichsten Organismen verschiedenster trophischer Ebenen nachgewiesen, dass sie Mikroplastik aufnehmen. Der Beleg wurde erbracht bei Organismen, die an der Wasseroberfläche ihre Nahrung aufnehmen, bei Organismen, die in der Wassersäule Nahrung aufnehmen, und auch bei Organismen, die im Sediment leben. Auch der Wasserfloh frisst Mikroplastikpartikel, weil er sie mit natürlichen Nahrungsbestandteilen verwechselt, Hauptgrund für die Aufnahme von Mikroplastik durch Tier und andere Organismen. k-online: Welche Konsequenzen resultieren aus dieser Verwechselung? Prof. Laforsch: Albatrosse etwa, um ein sehr prägnantes Beispiel anzuführen, verwechseln im Wasser treibendes Plastik mit kleinen Fischen oder Kalmaren. Die Vögel verfüttern es daraufhin an ihre Jungen. In manchen Regionen ist die Population der Albatrosse um bis zu 80 Prozent zurückgegangen ist, weil Jungtiere verhungert sind. Oder: Schildkröten verwechseln, im Wasser treibende Plastiktüten mit Quallen und verenden. Die meisten Tiere fressen Plastik, weil Sie es mit natürlicher Nahrung verwechseln, weil es natürlicher Nahrung anhaftet oder weil es von organischem Material (Biofilm) umgeben ist. Allerdings gilt es zu sagen, bislang sind die Auswirkungen von Plastik auf Organismen nicht wirklich gut untersucht. k-online: Wird das Plastik nicht über den Verdauungstrakt wieder ausgeschieden? Prof. Laforsch: Manche Organismen scheiden alles, was sie aufgenommen haben, wieder aus. Allerdings wurden in den zugrundeliegenden Studien Plastikkügelchen verwendet. Es ist potenziell möglich, dass kleinste Mikroplastikpartikel von Zellen – auch menschlichen Zellen – aufgenommen und in den Organismus eingeschleust werden können. Ob Mikroplastikpartikel gewebegängig sind, hängt vermutlich von deren Oberflächenbeschaffenheit ab. k-online: Mit welchen Folgen ist zu rechnen, wenn Mikroplastik ins Gewebe aufgenommen wird? Prof. Laforsch: Es konnte gezeigt werden, dass die Aufnahme von Mikroplastik durch Muscheln zu entzündlichen Reaktionen im Gewebe führen kann. Zudem hat Plastik die Eigenschaft, im Wasser befindliche Schadstoffe anzureichern. Werden die kontaminierten Mikroplastikpartikel von Fischen gefressen, können die Schadstoffe deren Leber schädigen, wie Studien belegt haben. Zudem können bei der Herstellung der Kunststoffe verwendete Additive giftige oder hormonelle Wirkung in den aufnehmenden Organismen hervorrufen. k-online: Was sind das für Schadstoffe, die sich an die Plastikpartikel anlagern? Prof. Laforsch: Zum Beispiel handelt es sich um Rückstände vor allem in der Landwirtschaft eingesetzter Pestizide oder persistenter beziehungsweise langlebiger organischer Verbindungen (POP). Das sind Stoffe, die in der Umwelt nur sehr langsam abgebaut oder umgewandelt werden. Hintergrundinformationen zu Persistenten (langlebigen) organischen Verbindungen k-online: Lässt sich sagen, um welche Kunststoffart es sich den Mikroplastikpartikeln handelt? Prof. Laforsch: Es gibt spektroskopische Verfahren, mit denen man die Polymersorte identifizieren kann. Hauptsächlich findet man Polymere wie sie zur Herstellung von Plastikflaschen oder Plastiktüten dienen. k-online: Lässt sich anhand der Mikroplastikpartikel sagen, von welchem Produkt es herrührt? Prof. Laforsch: Eher nicht, das ist schwierig, insbesondere bei kleinen Mikropartikeln. Allerdings lässt sich mit Blick auf die unzähligen Plastiktüten und Plastikflaschen, die in der Umwelt liegen, vermuten, dass der Großteil von Verpackungsmaterialien stammt. k-online: Apropos, was halten Sie davon, den Einsatz von Plastiktüten zu verbieten? Prof. Laforsch: Das mag ein guter Ansatz sein, mit Verboten zu arbeiten. Allerdings kann ich nur jedem Verbraucher ans Herz legen, sich stets von Fall zu Fall klar zu machen, ob eine Plastikflasche, eine Plastiktüte, einen Doppelverpackung aus Kunststoff notwendig ist. Wer solche polymere Materialien oder Produkte unachtsam wegwirft oder dort lagert, wo sie mit dem Wind unkontrolliert in die Umwelt geblasen werden können, trägt unweigerlich zur Entstehung von Mikroplastik bei. In letzter Konsequenz landet der Müll irgendwann einmal wieder beim Verbraucher – auf seinem Teller. Prof. Dr. Christian Laforsch präsentiert den Fund eines Mikroplastik-Teilchens. Foto: LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg k-online: Kann die Kunststoffindustrie mehr tun, um das Entstehen von Mikroplastikpartikeln in der Umwelt zu minimieren? Fehlt es an Aufklärung? Prof. Laforsch: Wir sind gerade dabei, den Dialog zu suchen, gleiches tut die Kunststoffindustrie. Bislang war ihr gar nicht bewusst, wie groß das Problem mit dem Mikroplastik ist. Zudem galt Kunststoff eher der Heilsbringer und nicht als Problemfall. Natürlich geht es vor allem darum, an der Bildungsschraube zu drehen. k-online: Hierzulande oder vor allen Dingen in den Entwicklungsländern? Prof. Laforsch: Auch die westlichen Industrienationen haben eine gehörige Portion Nachholbedarf, ansonsten würden wir bei uns kein Plastik mehr in der Umwelt finden, das aber ist nicht der Fall. k-online: Sei langem schon wird das Problem der Kontamination der Ozeane mit Plastik diskutiert und wissenschaftlich untersucht. Gibt es eine Vergleichbarkeit mit dem Problem in Binnengewässern? Prof. Laforsch: Grundsätzlich lässt sich sagen, dass die Probleme und Auswirkungen von Kunststoff im Allgemeinen und von Mikroplastik im Besondern in Salz- und Süßwasser vergleichbar sind. Allerdings ist es fragwürdig, inwieweit sich die verschiedenen Studienergebnisse vergleichen lassen. k-online: Wie meinen Sie das? Prof. Laforsch: Die verschiedenen Arbeitsgruppen wenden unterschiedliche Methoden an, etwa bei Entnahme von Mikroplastikproben. Unterschiedliche Siebsätze mit unterschiedlichen Porengrößen führen dazu, dass man auch unterschiedlich große Mikropartikel aus dem Meer fischt. Das wiederum führt unweigerlich zu schwer miteinander vergleichbaren Ergebnissen, etwa über die Belastung eines Gewässers. Ein weiteres Problem zeichnet sich ab bei dem Versuch, ein Mikroplastikpartikel eindeutig als solchen zu identifizieren. Hierzu taugt das Auge nur bedingt, und auch das Mikroskop stößt rasch an seine Grenze. Bis zu einer bestimmten Partikelgröße lässt mittels Augenschein, Erfahrung und Gefühl ein Fundstück als Plastik erkennen. Allerdings sollte sich Wissenschaft nicht von Gefühlen leiten lassen, sondern verifizierte Methoden anwenden. Das bedeutet, das wir in Studien, die Mikroplastikpartikel bislang visuell charakterisiert haben, vermutlich entweder eine über- oder Unterschätzung der Plastikkontamination haben. k-online: Heißt das, dass die Aussagen aller bisherigen Untersuchungen – vor allem auch im Salzwasser – in Frage zu ziehen sind? Prof. Laforsch: Bei Studien, deren Datenbestand unter Einsatz rein visueller Methoden generiert wurde, möglicherweise ja. Es gibt aber sehr viele Arbeitsgruppen, die mit verlässlichen Methoden arbeiten. Damit wir uns aber nicht missverstehen: Die Grundaussagen sind stimmig. Die Studien, die mit verlässlichen Methoden durchgeführt wurden, sind zuverlässig. Mag sein, dass es von Region zu Region Variationen gibt. Unzweifelhaft aber ist, dass die Weltmeere eine deutliche Kontamination mit Plastik vorweisen. k-online: Was schlagen Sie vor, um die wissenschaftliche Basis zu verbessern? Prof. Laforsch: Es braucht verlässlicher, reproduzierbarer Nachweismethoden wie die Raman-Spektroskopie oder die FT-IR-Spektroskopie (Stichwort: Infrarotspektroskopie ). Diese Methoden existieren, sind allerdings oft sehr aufwendig, weil sie nicht automatisiert sind. Weiterhin erweist sich die Pyrolyse gekoppelt an die Gaschromatographie mit Massenspektrometrie (GC/MS) als überaus hilfreiches Instrument, um die Mikroplastikpartikel zu charakterisieren. Bislang gibt es dafür, weder hierzulande noch anderenorts verbindliche Standards. Daran sollte künftig gearbeitet und harmonisierte Lösungsansätze entwickelt und etabliert werden. k-online: Herr Professor Laforsch, vielen Dank für das Gespräch. Das Interview führte Guido Deußing . Weiterführende und vertiefende Informationen: [1] Polymeranalytik mittels GC/MS [2] Umweltanalytik: Spurensuche in eisigen Höhen [3] Neue Erkenntnisse über Mikroplastik im Abwasser Autor/Kontakt: Redaktionsbüro GDeußing Dipl.-Ing. Guido Deußing Uhlandstraße 16 41464 Neuss Telefon 02131-741606 Web: www.pressetextkom.de E-Mail: guido.deussing@pressetextkom.de

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  • Der Berg ruft – gut gerüstet auf Wanderschaft

    Von Guido Deußing Berge besitzen eine magische Anziehungskraft – nicht nur auf jene, die auch im Leben immer hoch hinaus wollen. Bei aller Begeisterung für die Höhe übersehen manche Gipfelstürmer allerdings, dass Bergwandern alles andere als ein Spaziergang ist. Eine Unachtsamkeit kann zum Verhängnis werden. Allein in den Alpen sind im August 2014 wenigstens 20 Personen tödlich verunglückt. Die Frage nach dem Warum lässt sich meist nicht präzise beantworten. Mangelnde Vorsicht und Erfahrung spielen eine nicht zu unterschätzende Rolle. Dramatisch wird es, kommt Leichtsinn ins Spiel. Das zielt nicht allein auf das Verhalten am Berg ab, sondern auch auf die Reisevorbereitung: Wer bei der Ausrüstung nachlässig ist, riskiert Kopf und Kragen. Und wie sich zeigt, kommt man am Berg nicht ohne Polymere aus. Achtung Schneegrenze! Wer in den Berg geht, sollte sich stets gut informieren und vor Überraschungen gefeit sein. Die Meldung lässt einen den Kopf schütteln: In den Alpen wagte es sich ein Österreicher, in kurzen Hosen und Turnschuhen aus 3500 Metern Höhe abzusteigen – und starb an Unterkühlung [1]. Der Mann könnte vermutlich noch leben, hätte er sich im Vorfeld darüber informiert in welcher Höhe Niederschlag als Eisregen und Schnee erfolgt und Schnee nicht taut, sondern liegen bleibt. Wo sich die Schneegrenze befindet, hängt vom Klima und der geografischen Breite ab. In tropischen Zonen, etwa in den Anden in Südamerika oder auf dem Kilimandscharo in Afrika, liegt sie zwischen 5500 bis 6500 Metern. In Island befindet sie sich bei 700 bis 1100 Metern, in Spitzbergen bei rund 400 Metern. In der Arktis und in der Antarktis fallen Schneegrenze und Meereshöhe meist zusammenfallen. In den Alpen liegt die Schneegrenze, um auf unser Einstiegsbeispiel zurück zukommen, in einer Höhe von 3000 Metern. Wer sich dorthin wagt, in kurzen Hosen und nur mit Turnschuhen bekleidet, fordert unweigerlich sein Schicksal heraus. Die Chance, in Eis und Schnee umzukommen, steht, wie sich zeigt, nicht schlecht. Planung und Vorbereitung sind das A und O Es gibt kein schlechtes Wetter, nur die falsche Bekleidung, heißt es. Wie die Geschichte zeigt, ist der Mensch imstande, auch in der lebensfeindlichsten Umgebung zu überleben und sich eine Existenz aufzubauen. Extrembeispiele finden sich in den wüsten Regionen unseres Planeten, wo größte Trockenheit und Eiseskälte herrschen. Selbst am Nordpol und in der Sahara hat der Mensch Fuß gefasst. Essentiell war bei diesem Prozess nicht nur die Fähigkeit, Nahrungsquellen und Lebensraum zu erschließen, sondern auch, die verfügbaren Materialien und Werkstoffe aus der Umgebung sinnstiftend zu nutzen und daraus Kleidung, Behausung, Werkzeuge und Waffen herzustellen. Es gibt auch beim Wandern kein schlechtes Wetter, nur die falsche Bekleidung. Wer heutzutage in den hiesigen Breiten auf Wanderschaft geht, muss nicht mit Unwägbarkeiten und Gefahren rechnen, wie es vielleicht früher einmal der Fall gewesen sein mag. Er braucht keine Waffen, um Tiere zu erlegen oder Feinde abzuwehren. Lebensmittel lassen sich leicht erwerben und allenthalben finden sich Übernachtungsmöglichkeiten. Vorausgesetzt, man bewegt sich innerhalb einer intakten Infrastruktur. Wer erfolgreich Wüsten durchwandern oder Bergeshöhen erklimmen will, braucht einiges mehr. Von Vorteil erweisen sich erste Outdoor-Erfahrungen, gewisse Fertigkeiten, die das Leben in freier Natur erleichtern, und nicht zuletzt eine zumindest rudimentäre Vorbereitung hinsichtlich dessen, was man mit auf die Reise nehmen möchte oder sollte. Schließlich lassen sich bestimmte Bedürfnisse wie Essen, Trinken und Wohnen nur selten unmittelbar am Berg in gewohnter Manier befriedigen. Auch sind mitunter Lebensmittel und Bekleidungsgegenstände auf dem Marsch mitzuführen. Was der Markt Liebhabern von Ausflügen in die freie Natur zu bieten hat, zeigt die Tour Natur , die Nummer eins Messe für Wandern und Trekking, vom 5. bis 7. September 2014 auf dem Gelände der Messe Düsseldorf. Der Versuch, einen Fokus auf alle das Wandern relevanten Details zu legen, ist bereits im Ansatz zum Scheitern verurteilt, zu mannigfaltig und different erweist sich die Ausrüstung, die fürs Wandern, Klettern oder Trekking benötigt wird. Allerdings gilt: Wer auf Wanderschaft geht, kommt nicht an polymeren Werkstoffen vorbei. Sie ersetzen nicht die Vorbereitung einer Reise, ohne sie aber glichen Ausflüge in die Natur einer Zeitreise in die Vergangenheit. Bei der Durchführung auf die richtige Kleidung achten Wer den Widrigkeiten der Natur die Stirn bietet will, braucht die richtige Einstellung zu einem Leben unter freiem Himmel und er benötigt eine Bekleidung, die strapazierfähig und flexibel ist gegenüber den Einflüssen von Sonne, Regen, Sturm, Schnee und Eis; sie sollte folglich Hitze, Kälte und Feuchtigkeit gleichermaßen gut trotzen. Augen auf beim Bergschuhkauf: Die Art der Outdoor-Aktivität definiert, welcher Berg- oder Wanderschuh in Frage kommt. (Quelle: TourNatur) Schuhe. Wenn die Füße schmerzen, kalt und nass sind, kann Wandern regelrecht zur Qual werden – ganz gleich wohin sie uns tragen. Deswegen gilt: Zeit nehmen beim Schuheinkauf. Und: Turnschuhe mögen vielleicht einen schnellen und schlanken Fuß machen in ebenem Gelände. Um sich jedoch sicher am Berg zu bewegen, taugen sie, wie unser Eingangsbeispiel zeigt, wenig. Beginnen wir mit der Frage, was Sie gedenken zu unternehmen. Wie gesagt: Planung ist das A und O einer Reise. Für Flachlandtiroler mag ein Multifunktionsstiefel genügen, wer jedoch auf den Klettersteig oder ins Hochgebirge will, stellt andere Ansprüche an das Schuhwerk, zum Beispiel sollten Steigeisen montiert werden können, um ohne Risiko Gletscher und Schneefelder zu passieren. Moderne Wanderschuhe zeichnet vor allem eines aus: Es sind Hightech-Produkte, bestehend aus unterschiedlichen Materialien, u.a. Polymermaterialien, erhältlich für wenige oder für viel hunderte Euros. Wanderschuhe sollten möglichst leicht am Fuß sein und einen hohen Tragekomfort besitzen; sie sollten den Füßen guten und bequemen Halt und einen sicheren Tritt bieten. Dieses Eigenschaftsprofil lässt sich nicht allein mehr von Leder gewährleisten. Hierfür bedient man sich inzwischen hochleistungsfähiger Materialien aus dem Labor. Welcher Schuh genau der richtige für Sie ist, lässt sich im Beratungsgespräch mit den Fachleuten im Outdoor- beziehungsweise Schuhfachgeschäft klären. Unser Tipp: Probieren Sie Wanderschuhe idealerweise am Nachmittag an – wenn die Füße unter der Last des Tages etwas an Größe zugenommen haben. In diesem Fall gilt: einsteigen, zuschnüren und loslaufen, am besten eine Schräge hinauf und hinunter – so etwas sollte ein Geschäft haben, das Bergschuhe verkauft. Unter diesen simulierten Bedingungen prüfen Sie dann die Passform und das Abrollverhalten der Treter. Wenn alles passt, haben Sie eine Sorge weniger. Wie Sie den perfekte Schuh erkennen? Er „umschließt den Fuß wie eine zweite Haut und drückt nicht. Die Ferse sitzt bombenfest, der Mittelfuß wird gestützt, und die Zehen haben nach vorne und oben so viel Luft, dass diese beim Bergabgehen nicht anstoßen. Außerdem rollt die Sohle geschmeidig ab.“ [2, 3, 4] Der Zwiebel unter die Haut geschaut Wer draußen (Outdoor) unterwegs ist, muss sich für alle Fälle wappnen und adäquat kleiden; Schuhe sind sicherlich mit das Wichtigste, jedoch nicht alles. Wer steht schon gerne nackt im Regen?! Die ideale Wanderbekleidung ist buchstäblich vielschichtig und erinnert angelegt an den Schalenaufbau einer Zwiebel. Jede Bekleidungsschale oder -schicht erfüllt im Gesamtkontext eine oder mehrere Funktionen: Die innerste Schicht hält den Wanderer trocken, die mittlere isoliert und die äußere schützt. Unterwäsche: Hauteng anliegen sollte sie und durchlässig sein für Schweiß und Geruch: Unterwäsche bildet die Basis der Outdoor-Bekleidung. Baumwolle mag sich angenehm auf der Haut anfühlen, zum Wandern und Bergsteigen ist dieses natürliche Material allerdings eher weniger geeignet. Es saugt Feuchtigkeit auf und transportiert sie nicht ab. Baumwolle fühlt sich, einmal tüchtig hineingeschwätzt, nass an auf der Haut, was Unbehagen hervorruft. Besser geeignet ist Unterwäsche mit einem hohen Anteil an Polyester (PE) oder Polypropylen (PP); diese Polymere verleihen der Unterwäsche die gewünschten Eigenschaften. Auch am Berg immer gut und zweckmäßig angezogen: Bekleidung und Ausrüstung müssen Wind und Wetter trotzen. Hose. Kleider machen Leute, auch am Berg. Wer in Jeans- oder Cordhose unterwegs ist, zählt zu den Amateuren und erntet von Wanderprofis ein verächtliches Grinsen. Um nicht alleine dazuzugehören, sondern auch (hoch)alpinen Ansprüchen zu genügen, greift man zu Funktionshosen aus Synthesefasern wie Polyester oder Softshell-Materialien, die häufig aus zwei oder drei laminierten polymeren Membranschichten bestehen. In der Regel besteht die Außenschicht aus einem mechanisch widerstandsfähigen und strapazierfähigen Material, es isoliert das Innenfutter und transportiert Feuchtigkeit ab. Besagtes Material kann aus Kunstfasern gewebte Stoffe oder Laminate enthalten; die Fasern lassen Feuchtigkeit gut durch, nehmen aber nur wenig Feuchtigkeit auf. Beispiele für synthetische Fasern sind: Polyester (PES), Polyamid (PA) oder Polypropylen (PP). Die Gewebe oder Gewirke sind meistens vor allem an Stellen höherer Belastung besonders robust ausgelegt, etwa im Scheuerbereich des Rucksackgurtes. Besonders weich und anschmiegsam sind sie hingegen dort, wo es auf Bewegungsfreiheit ankommt, und wasserdampfdurchlässig in Bereichen hoher Schweißaussonderung. Jacke: Softshells sind leicht und leistungsstark und kombinieren die Funktionen einer äußeren und mittleren Bekleidungsschicht. Jacken aus diesem Material lassen sich auch als eine Art Kompromiss zwischen Fleece-Jacken und Regenjacken betrachten; sie helfen Gewicht einzusparen, was jeder zu schätzen weiß, der mit dem Rucksack unterwegs ist. Je nach Verarbeitung und Material kann Softshell ähnlich wie Fleece luftdurchlässig und wärmend, aber auch winddicht und widerstandsfähig sein. Softshell-Jacken sind in der Regel bei leichten Schneefällen oder leichten Niederschlägen wasserabweisend, nicht aber absolut wasserdicht (abhängig von der Wassersäule) sprich: bei Dauerregen weniger zu empfehlen. Ideale Begleiter sind Softshell-Jacken bei gemäßigten Temperaturen ohne starke Niederschläge. [5] Funktionsjacke. Um auch extremen Wetterlagen und ungünstiger Witterung erfolgreich zu trotzen, muss sich der Wanderer und Bergsteiger präparieren und schützen. Funktionsjacken, hergestellt aus einem Polymer namens Polytetrafluorethylen (PTFE), besser bekannt als Teflon oder Gore-Tex, besitzen die Eigenschaft, Wasserdampf (Schweiß) hindurch, Wassertropfen wie Regen aber abzuweisen. Die Membranfunktion ist überaus wichtig, da sie hilft, die Körpertemperatur auf einem guten Niveau zu halten, was wiederum Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit beeinflusst. Gleichsam sollte die Funktionsjacke strapazierfähig sein gleichzeitig geringem Eigengewicht – dieses Eigenschaftsprofil erfüllen Polymere wie kaum ein anderes Material. Wenn die Schneegrenze überschritten wird, gilt am Berg Obacht: Fehler bei Bekleidung und Ausrüstung kommen mitunter teuer zu stehen. Seile können Leben retten. Das es noch ein bisschen (Poly)me(h)r sein? Polymere werden nicht allein zur Herstellung von Wanderbekleidung eingesetzt, auch bei vielen anderen wichtigen Ausrüstungsgegenständen, die Outdoor Verwendung finden. Polymere sind Bestandteil von Sonnen- und Gletscherbrillen, bei deren Kauf man sich sinnvollerweise gut beraten lassen sollte [6]; vor Steinschlag schützt (ganz wichtiger im Klettersteig) Bergsport- oder Kletterhelm – aufgebaut aus einem widerstandfähigen, schlagzähen Hardpolymer oder Polymerverbund in der Außenschale, bestehend aus zum Beispiel Polycarbonaten oder Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS), verstärkt mittels Glas-, Aramid- oder Kohlenstofffasern. Um den Tragekomfort zu fördern, ist der Helm innen an der Tragefläche vollständig weich gedämpft, etwa mit Ethylenvinylacetat (EVA) und / oder einem Polymerschaumstoff (Expandiertes Polystyrol, EPS). Je nachdem, wohin der Weg Sie führt und was Sie gedenken zu tun, etwa Sport-, Alpin- oder Eisklettern oder Gletschertouren, sind Sie auf eine Seilschaft angewiesen. Im Bergsport verbinden sich die Wanderer mit Seilen, von denen unterschiedliche Typen verfügbar sind, namentlich Einfachseil, Halbseil und Zwillingsseil. Da Seile am Berg, aber auch bei der Berg- und Höhenrettung, vor allem als Absturzsicherung dienen, werden sie nach ihrer Gebrauchsdehnung unterschieden. Welches Seil Ihren Zwecken dienlich ist, sollten Sie auf jeden Fall mit einem Fachmann – etwa auf der TourNatur in Düsseldorf – erörtern. Im Internet finden Sie erste Anhaltspunkte [7]. Apropos: Moderne Kletterseile bestehen aus Polyamid und weisen eine Kernmantelkonstruktion aus verflochtenen Fasern auf. Rucksack, Zelt, Schlafsack, Seil ... Polymere Werkstoffe erfüllen bei Bergtouren und anderen Outdoor-Aktivitäten eine wichtige Funktion. Sollten Sie einmal etwas länger unterwegs sein, brauchen Sie einen robusten, Wasser abweisenden Rucksack aus Nylon oder Polyvinylchlorid (PVC), versehen mit einem hinreichend großen Stauraum. Ein Zelt könnte auch von Nutzen sein und auch ein Schlafsack. Der britische Outdoor-Spezialist Bear Grylls, bekannt aus der Fernsehserie „Ausgesetzt in der Wildnis“, schwört in seinem Buch „Draußen überleben“ [8] auf ein Geodät-Zelt, das ihm auch bei seiner Besteigung des Mt. Everest gute Dienste erwiesen hat. Für die Herstellung derartiger Zelte dienen ultraleichte, extrem widerstandfähige Polymermaterialien wie Kerlon und Nylon. Für ein wohliges Klima in der Nacht sorgt allerdings nicht zuletzt Ihr Schafsack. Auch hier dominieren, wie kann es anders sein, Kunststoffe wie Nylon im Außen- und Polyester als Füllmaterial. Falls Sie nach einem Outdoor-Schlafsack für Ihre Tour suchen, sollten Sie sich über Reiseziel, Einsatzzweck und die Temperaturen am Einsatzort im Klaren sein. Wenden Sie sich an einen Experte – in einem Fachgeschäft in Ihrer Nähe, oder auf der Tour Natur , die Nummer eins Messe für Wandern und Trekking, vom 5. bis 7. September 2014 auf dem Gelände der Messe Düsseldorf. Damit sind Sie immer bestens beraten... Autor: Guido Deußing Redaktionsbüro GDeußing Uhlandstraße 16 41464 Neuss www.pressetextkom.de Abbildungen: istockphoto Quellen und weitere Informationen [1] Rheinische Post, 27.08.2014, D10 [2] www.outdoor-magazin.com/service/die-perfekte-ausruestung-beim-wandern-und-trekking.204223.3.htm?skip=8 [3] www.outdoor-magazin.com/service/camp-equipment/kaufberatung-wanderstiefel-top-wanderschuhe-und-nuetzliche-tipps.453001.3.htm [4] www.bergzeit.de/magazin/wanderstiefel-im-test-aku-transalpina-gtx-ws/ [5] http://de.wikipedia.org/wiki/Softshell [6] www.bergzeit.de/sportbrillen-info/ [7] www.bergzeit.de/kletterseile/ [8] Bear Grylls. Draußen (über)leben. Piper Verlag GmbH, München 2014

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  • Umweltanalytik: Spurensuche in eisigen Höhen

    Von Guido Deußing Ein Expertenteam, darunter Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig, hat im Schnee der Anden in über 6000 Metern Höhe polychlorierte Biphenyle (PCBs) nachgewiesen. Während die GC/MS-Analyse im Labor vergleichsweise unkompliziert verlief, bereiteten Fragen nach der erforderlichen Probenmenge und der geeigneten Extraktionstechnik Kopfzerbrechen. Die Lösung fanden die Wissenschaftler schließlich in der hochsensitiven StirBarSorptiveExtraction (SBSE). Schnee ist schon ein faszinierender Stoff. Nicht nur in den Augen eines Kindes, das mit seinem Schlitten zum Rodeln an den Hang drängt. Auch Wissenschaftler, die sich für den Verbleib persistenter organischer Verbindungen (POPs) in der Umwelt interessieren, können offenkundig eine Schwäche für Schnee entwickeln: Spanische, chilenische und deutsche Wissenschaftler, darunter Experten des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig, unternahmen eine Expedition nach Südamerika, genauer gesagt in die Anden ins ewige Eis des Cerro Aconcagua, den mit 6962 Metern höchsten Berg Nord-und Südamerikas. Ziel der Expedition war es, anhand der Analyse von Schnee tiefer gehende Auskünfte über Vorkommen und Verbleib polychlorierter Biphenyle auf der südlichen Erdhalbkugel zu erhalten. Wissenschaftler, darunter Experten des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig, unternahmen eine Expedition nach Südamerika, genauer gesagt in die Anden ins ewige Eis des Cerro Aconcagua, den mit 6962 Metern höchsten Berg Nord-und Südamerikas. Quelle: GERSTEL PCBs in den Anden Polychlorierte Biphenyle (PCBs) zählen wie einige Pflanzenschutzmittel und Industriechemikalien sowie bestimmte Nebenprodukte von Verbrennungsprozessen zu den zwölf als „dreckiges Dutzend“ bezeichneten organischen Giftstoffen, deren Verwendung beziehungsweise Eintrag in die Umwelt am 22. Mai 2001 durch die Stockholmer Konvention weltweit verboten wurden. PCBs kamen bis in die 1980er Jahre vor allem zur Kühlung von Transformatoren und Kondensatoren sowie als Hydraulikflüssigkeit und Weichmacher zum Einsatz. Hauptgründe für das strikte Verbot sind ihre Persistenz sowie ihre gesundheitsschädliche und erbgutschädigende Wirkung. PCBs reichern sich im Fettgewebe an und gelangen über die Nahrungskette in den menschlichen Organismus. Um die Belastung der Umwelt mit PCBs einschätzen und beurteilen zu können, bedarf es der chemischen Analyse von Umweltproben. Sie kann Anhaltspunkte liefern, ob und inwieweit die Auflagen der internationalen Gemeinschaft greifen und eingehalten wurden. Aber zu diesem Zweck gleich mit Sack und Pack zu den Gletschern der Zentralanden ins südamerikanische Hochgebirge aufbrechen? Wissenschaftler sind sich einig: Aufgrund der hohen Porosität und der damit verbundenen großen spezifischen Oberfläche von Eiskristallen waschen Schneeflocken Schadstoffe besser aus der Luft als Regentropfen. Vorausgesetzt, die Umgebungstemperatur garantiert dauerhaft gute Schneeverhältnisse, was 6000 Meter über dem Meeresspiegel der Fall ist. Dort dürfte eine Analyse des eisigen Niederschlags wohl zuverlässig Auskunft geben über Art, Menge und Verbleib luftgetragener POPs in der Atmosphäre, spekulierten die Wissenschaftler. Auf die Extraktionstechnik kommt es an Die Lösung fanden die Wissenschaftler in der StirBarSorptiveExtraction (SBSE) mit dem GERSTEL-Twister. Hierbei handelt es sich um ein spezielles patentiertes Rührstäbchen für Magnetrührer, das mit einer mehrere Millimeter dicken Schicht aus Polydimethylsiloxan (PDMS) ummantelt ist und organische Verbindungen um bis zu 1000-fach sensitiver anreichert als beispielsweise eine SPME-Faser. Die Handhabung ist ebenso einfach wie genial: Die Sorption der Analyten in den PDMS-Mantel erfolgt, während der Twister die Probe durchmischt. Anschließend wird das Rührstäbchen der Probe entnommen, trockengetupft und in der ThermalDesorptionUnit (TDU) in Verbindung mit dem MultiPurposeSampler (MPS) beziehungsweise im ThermalDesorptionSystem (TDS-A/TDS) automatisiert desorbiert. Trennung und Quantifizierung der angereicherten Analyten erfolgen in bewährter Manier sensitiv und sicher mittels GC/MS. TDSA/TDS-GC/MS-System des UFZ zur automatisierten Desorption und Analyse von 20 Twistern. Für die automatisierte Analyse von bis zu 196 Twistern empfiehlt sich die ThermalDesorptionUnit (TDU) in Verbindung mit dem MultiPurposeSampler (MPS). Foto: Guido Deußing „Während bei konventionellen Extraktionsverfahren mindestens einige Liter Schnee benötigt werden, genügen bei der von uns verwendeten lösungsmittelfreien Methode Mengen von nur 40 Milliliter“, erklärt Dr. Peter Popp vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig den Mehrwert der SBSE mit dem GERSTEL-Twister; das UFZ war für die Analyse der Schneeproben zuständig. „Bei Expeditionen in die Gipfelregionen der Hochgebirge zählt jedes Gramm. Wir hätten niemals pro Probe 40 Liter Schnee transportieren können. Deshalb waren wir sehr froh, dass für die Analyse in Leipzig schon 40 Milliliter pro Probe ausreichten“, ergänzt Roberto Quiroz vom spanischen Forschungsinstitut für Umweltchemie, IIQAB. Chromatogramm einer auf 6200 Meter Höhe entnommenen Schneeprobe Fotomontage: GERSTEL Probennahme in eisigen Höhen, Analyse im UFZ in Leipzig Quiroz gehörte zu der Seilschaft, die anno 2003 Schneeproben in 3500, 4300, 5000, 5800 und 6200 Meter Höhe auf der Ostseite des Aconcagua nahm. Sie wurden in 100-mL-Braunglasflaschen gefüllt und bis zur Analyse bei -20 °C gelagert. Im Labor ließ man den Schnee bei Raumtemperatur schmelzen. 40 mL Schneewasser wurden mit 10 mL Methanol versetzt und in einem 100-mL-Erlenmeyerkolben für die Dauer von vier Stunden mit einem Twister durchmischt, wobei sich die in der Probe enthaltenen PCBs im PDMS-Mantel des Rührstäbchens anreicherten. Anschließend wurde der Twister mit einer Pinzette der Probe entnommen, trockengetupft und in ein leeres Thermodesorptionsröhrchen (Glasliner) überführt. Ultraniedrige Nachweisgrenzen und überraschende Resultate Die Thermodesorption der Twister erfolgte in einem TDS (in Verbindung mit einem TDS-A-Probengeber) bei 250 °C für die Dauer von 10 Minuten; für einen hohen Probendurchsatz eignet sich in besonderer Weise die GERSTEL-ThermalDesorptionUnit (TDU) in Verbindung mit dem GERSTEL-MultiPurposeSampler (MPS). Mit Helium als Trägergas (100 mL/min) wurden die Analyten auf das KaltAufgabeSystem (KAS) überführt und bei -20 °C cryofokussiert. Für die Analyse kam eine GC/MS-Kombination von Agilent Technologies (GC 6980/MS 5973) zum Einsatz. Das KAS wurde mit 12 °C/s auf 250 °C aufgeheizt, der Injektor splitlos mit einer Splitloszeit von 2 min betrieben. Die Trennung erfolgte auf einer Kapillarsäule Agilent HP-5-MS (30 m, 0,25 mm, Schichtdicke 0,25 μm) mit folgendem Temperaturprogramm: 70 °C, 2 min isotherm, mit 15 °C/min auf 180 °C und 10 min gehalten, mit 5 °C/min auf 280 °C aufgeheizt und 10 min gehalten. Die Detektion der Analyten erfolgte im SIM-Modus mit zwei charakteristischen Ionen. Das UFZ-Analyseteam um Dr. Peter Popp untersuchte die Schneeproben auf insgesamt 25 PCBs. Die SBSE-TDS-GC/MS-Methode ermöglichte im Schnitt eine Wiederfindung zwischen 85 und 93 Prozent, die Detektionsgrenze lag bei 0,02 ng/L. Die Wissenschaftler wiesen in den Schneeproben des Aconcagua insbesondere die persistenten PCB-Kongenere 138 und 180 nach, allerdings in einer Konzentration von unter einem halben Nanogramm pro Liter, was einem relativ niedrigen Wert entspricht im Vergleich zu denen, die in anderen Gebirgen und kalten Regionen der Erde gemessen wurden. Das Ergebnis lasse darauf schließen, dass die Verschmutzung auf der Südhalbkugel geringer ausgeprägt sei als auf der Nordhalbkugel, urteilen Quiroz et al. Der Nachweis von PCBs im Schnee am Gipfel des Aconcagua zeige jedoch deutlich, dass diese Verbindungen über die Atmosphäre in die Anden transportiert werden und sich dort ablagern. Die Forschungsergebnisse sind auch vor dem Hintergrund des Klimawandels von Bedeutung: „Der Rückgang der Gletscher könnte dazu führen, dass die im Gletscherschnee abgelagerten Schadstoffe mit dem Schmelzwasser nach unten transportiert werden“, befürchtet Roberto Quiroz. Und nicht allein in Südamerika spielt das Wasseraus den Gletschern eine große Rolle bei der Bewässerung der Landwirtschaft oder als Trinkwasserreservoir. Literatur Quiroz, R., Popp, P., Barra, R. „Analysis of PCB levels in snow from the Aconcagua Mountain (Southern Andes) using the stir bar sorptive extraction.“ Environmental Chemistry Letters (2009) 7 (3), 283-288

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  • Vertiefende Polymeranalytik mittels Pyrolyse-Gaschromatographie und Massenspektrometrie (GC/MS)

    Die Gaschromatographie in Verbindung mit der Thermodesorption gibt auf vergleichsweise einfache und schnelle Weise Auskunft über die Zusammensetzung flüchtiger Verbindungen unterschiedlichster Matrices. Wie der nachfolgende Bericht der Firma "tesa SE" in Hamburg [1] zeigt, lässt sich durch Einsatz eines Pyrolysemoduls die Informationstiefe etwa bei der Analyse von Polymeren und Klebstoffen unter Einsatz handelsüblicher GC-Systeme erheblich vergrößern. Schematische Darstellung eines doppelseitigen Klebebandes (PE = Polyethylen; PVC = Polyvinylchlorid). Quelle: GERSTEL Klebebänder kommen in den unterschiedlichsten Bereichen zum Einsatz. In zunehmendem Maße verdrängen sie andere Befestigungslösungen wie Schrauben oder Schweißen vom Markt. Aus gutem Grund: Klebebänder sind flexibel, leicht, weitgehend stoßunempfindlich, teilweise repositionier- und auf viele Arten und Weisen modifizierbar. Sie kommen vielfältig zum Einsatz in der Automobil-, Elektronik- und Papierindustrie, im professionellen Baubereich und auch beim Werkeln daheim. So breit das Anwendungsspektrum von Klebebändern ist, so unterschiedlich gestalten sich der Produktaufbau und ihre Zusammensetzung. Ein klassisches Klebeband besteht aus dem Träger, einem Haftvermittler und der Klebmasse. Handelt es sich um ein doppelseitiges Klebeband, ist in der Regel eine Seite der Klebmasse mit einer Trennfolie, Liner genannt, abgedeckt. Für die Herstellung von Trennfolien verwendet werden je nach Anwendungsbereich unterschiedliche Kunststoffe wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder Polyethylenterephthalat (PET). Trägerfolien wiederum können aus PE, PP, PET oder Weich- und Hart-Polyvinylchlorid (PVC) bestehen. Die verwendeten Polymere lassen sich mit Additiven versetzen, etwa Weichmachern, Alterungsschutz- oder Antiblockmitteln, um die Materialeigenschaften den jeweiligen Erfordernissen anzupassen. Bei der Herstellung von Klebmassen zum Einsatz kommen Polyacrylate, Synthesekautschuke oder Naturkautschuke, die ihrerseits Klebharze, Füllstoffe, Vernetzer oder Weichmacher enthalten können. Ein beliebiges doppelseitiges Klebeband könnte aus einem Weich-PVC-Träger bestehen, beidseitig mit einer harzhaltigen Polyacrylat-Klebmasse beschichtet, die ihrerseits einseitig mit einer PE-Folie abgedeckt ist Handelt es sich bei der Weich-PVC- oder PE-Folie um zugekauftes Material, braucht es die Analytik, um den Rohstoff zu kontrollieren und dessen Qualität sicherzustellen. Oft ist es erforderlich, in den jeweiligen Zutaten die eingesetzten Additive zu identifizieren, um deren Verträglichkeit mit den Klebmassen bewerten zu können, die ebenfalls näher untersucht werden. Aufgabe der Produkt- und Qualitätskontrolle ist es, unter anderem die Polymerzusammensetzung und den Gehalt an Klebharz zu bestimmen. Gaschromatographie-System ausgestattet für die automatisierte Thermodesorption und Pyrolyse von Polymermaterialien. Foto: GERSTEL Pyrolyse-GC/MS in der Polymeranalytik [2] Zunächst wurde das PE-Material des eben beschriebenen doppelseitigen Klebebandes analysiert. Tests im Rahmen der Materialprüfung hatten ergeben, die mechanischen Eigenschaften der PE-Folie entsprächen nicht den Erwartungen an eine typische PE-Folie, obgleich das Infrarot-(IR)-Spektrum sowohl für die Vorder- als auch für die Rückseite ausschließlich Signale eines PEs zeigte. Um den Sachverhalt aufzuklären, wurde die Pyrolyse-GC/MS in Betracht gezogen unter Einsatz folgender Gerätekombination: Agilent GC 7890 A, ausgestattet mit einem GERSTEL-MultiPurposeSampler (MPS) für die automatisierte Probenvorbereitung und Probenaufgabe und verbunden mit einem Agilent- 5975B-Single-Quadrupol-Massenspektrometer. Die Pyrolyse der fraglichen Probe erfolgte mit einem GERSTEL-PYRO, das sich im Handumdrehen in Verbindung mit der GERSTEL-ThermalDesorptionUnit (TDU) im GC montieren lässt. Die Folie wurde bei 700 °C pyrolysiert und die Fragmente wurden über eine Restek-Stabilwax-DA-Säule aufgetrennt. Detektiert wurden lineare wie auch verzweigte aliphatische Kohlenwasserstoffe. Durch Vergleich des erhaltenen Pyrogramms mit einer selbst erstellten Pyrolyse-Bibliothek diverser Kunststoffe und Polymere konnte festgestellt werden: Lineare aliphatische Kohlenwasserstoffe kommen typischerweise in Pyrogrammen von PE vor, verzweigte aliphatische Kohlenwasserstoffe hingegen überwiegend in PP. Schließlich ergab die Vermessung eines PE/PP-Referenzgemisches, dass es sich bei dem unbekannten „PE-Material“ tatsächlich um ein Gemisch aus PE und PP handelte. Da die IR-Spektren der Vorder- und Rückseite lediglich Signale von PE aufwiesen, wurde der Schluss gezogen, das unbekannte Material sei eine Dreischicht-Verbundfolie mit einer PE-Außen-und einer PP-Innenschicht. Pyrogramm eines Kolophonium-Methylester- Harzes bei 800 °C Pyrolysetemperatur. Das Signal mit der höchsten Intensität konnte dem Methylabietat (m/z = 316) zugeordnet werden. Quelle: GERSTEL Pyrolyse-GC/MS zur Quantifizierung von Additiven Zur Quantifizierung des Gehaltes an Klebharz, im vorliegenden Fall Kolophoniumharze, wurde eine Pyrolyse-GC/MS-Methode mit Matrixkalibrierung entwickelt. Schwierigkeiten bei dieser Methode lagen zum einen darin, geeignete Pyrolyseprodukte als Marker für die einzelnen Klebharze herauszuarbeiten. Zum anderen galt es, die Probenpräparation zu optimieren, um eine angemessene Reproduzierbarkeit zu erzielen. Als Marker für Kolophonium-Methylester wurde Methylabietat (m/z = 316) ausgewählt (Abb. r.). Für hydrierte Kolophoniumharze diente Norabietan (m/z = 262) als Quantifizierungsmarker. Beide Methoden wurden als Single-Ion-Mode-(SIM)-Methoden entwickelt, um ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und eine höhere Empfindlichkeit zu gewährleisten. Die Probenvorbereitung wurde wie folgt optimiert: Die Klebmassen wurden auf silikonbeschichtetem Trennpapier eingewogen (Einwaage: 0,5-1 mg), anschließend wurden sie mit einem Pulver aus kleinen Glasperlen bestäubt, welches die Analyse nicht beeinträchtigt und ein Verkleben der Proben am Pyrolyse-Röhrchen verhindert. Für alle Proben und alle Kalibrierstandards wurden Doppelmessungen durchgeführt und die Mittelwerte zur Auswertung herangezogen. Die Kalibrierstandards wurden angesetzt, indem eine harzfreie Polyacrylat-Klebmasse, bestehend aus n-Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat und Acrylsäure, mit Mengen von 5 bis 40 % (w/w) Kolophoniumharz versetzt wurde. Nach Pyrolyse der Kalibrierstandards bei 800 °C und nachfolgender Auswertung der Marker-Signale konnte etwa für hydrierte Kolophoniumharze über Norabietan eine Kalibriergerade mit einem Bestimmtheitsmaß von 0,9916 erhalten werden. Mit den resultierenden Kalibrierfunktionen für beide Methoden ließen sich Gehalte von hydrierten Kolophoniumharzen und Kolophonium-Methylester-Harzen in Polyacrylat-Klebmassen quantifizieren. Hierbei wurden unterschiedliche hydrierte Harztypen untersucht, um zu überprüfen, ob auch hydrierte Kolophonium- Glycerinester-Harze oder weitere Ester mithilfe der erstellten Methode quantifiziert werden können. Bezüglich der Kolophonium- Methylester-Harze wurden typengleiche Harze unterschiedlicher Hersteller analysiert. Für beide Methoden wurde ermittelt, dass die Gehalte an Kolophoniumharzen mit einer maximalen Standardabweichung von vier Prozent bestimmt werden können. Zieht man den stark heterogenen Charakter derartiger Klebharze in Betracht, können die entwickelten Pyrolyse-GC/MS-Methoden zur Quantifizierung von Harzen als ausreichend genau angesehen werden. Auf diese Weise lassen sich nun die Gehalte an Kolophoniumharzen in Polyacrylat-Klebmassen zu Qualitätssicherungszwecken auf Korrektheit überprüfen. Es bleibt noch zu untersuchen, ob die Methoden auch für andere Matrices, etwa Synthesekautschuke, genutzt werden können. Darüber hinaus könnte eine Erweiterung des Methoden-Portfolios auf andere Harzklassen wie Polyterpenharze oder Kohlenwasserstoffharze in Betracht gezogen werden. Was am Ende zu sagen übrig bleibt Die Pyrolyse-GC/MS ist ein vielseitiges Verfahren, das zur qualitativen und quantitativen Analyse von Polymeren im Allgemeinen und Klebmassen im Besonderen genutzt werden kann. Als herausragende Nutzwerte erweisen sich bei diesem System der geringe Aufwand für die Probenvorbereitung sowie die große Informationstiefe, die sich bereits im Zuge einer Einzelmessung erreichen lässt. Redaktion: GDeußing Quellen und weitere Informationen [1] Aylin Meß, Vjaceslav Frank und Andreas Westphal, tesa SE, Quickbornstraße 24, 20253 Hamburg [2] Automatisierte Pyrolyse

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  • Persistente (langlebige) organische Verbindungen

    Es gibt Verbindungen, denen möchte der Mensch seinen Segen nicht mehr geben. Am 17. Mai 2004 unterzeichneten mehr als 150 Länder die Stockholmer Konvention mit dem Ziel, unter dem Akronym POP bekannt gewordene langlebige organische Schadstoffe (Persistent Organic Pollutants) aus der Welt zu schaffen. Keine leichte Aufgabe, nachdem man sie als vermeintliche Heilsbringer tonnenweise rund um den Erdball ausgebracht hat und es da und dort noch heute fortsetzt. Zu den POPs gehören bislang zwölf chemische Verbindungen beziehungsweise Verbindungsklassen, darunter neun vor allem chlorierte Pestizide, die zu den Industriechemikalien zählenden polychlorierten Biphenyle und zwei Gruppen unerwünschter Nebenprodukte, namentlich polychlorierte Dibenzofurane und Dibenzodioxin. Ihrer fatalen Wirkung auf Mensch und Umwelt wegen werden die POPs auch als das „Dreckige Dutzend“ bezeichnet. Klingt wie der Titel eines schlechten Spielfilms, hat aber mit Fiktion nichts zu tun. Die bittere Wahrheit ist: POPs „reichern sich im Fettgewebe an, greifen in den Hormonhaushalt ein, können Krebs und Fehlbildungen verursachen und das Immunsystem schädigen“, heißt es in einer Broschüre der Pestizid-Aktion-Netzwerk e.V. ( www.pan-germany.org/download/pops-konvention-dt. pdf ). Betroffen sind vor allem die Lebewesen am Ende der Nahrungskette, allen voran der Mensch. Guido Deußing

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  • Autofahren mit Flip Flops ist gefährlich

    Aus meteorologischer Sicht ist seit 1. September 2016 Herbst, am 22. September zieht auch der Kalender gleich. Und doch beschleicht einen bei aktuellen Temperaturen um die 30 °C das Gefühl, jetzt wird’s noch mal richtig Sommer, mit allem, was dazugehört. Auch aus modischer Sicht. Ein weitverbreitetes Bild in diesen Tagen: kurze Hosen, T-Shirt, Baseballkappe auf dem Kopf und Flip Flops an den Füßen. In diesem Aufzug fährt mancher, aus Gewohnheit oder Bequemlichkeit oder auch bewusst, weil die Klimaanlage Erleichterung verspricht, statt mit dem Rad mit dem Auto ins Freibad oder an den See oder sonst wohin. Das aber, liebe Freunde der leichten polymeren Schuhmode, ist alles andere als vernünftig. Das Gegenteil scheint der Fall – als hätten wir es nicht immer schon gewusst: Wer mit Flip Flops an den Füßen Gas gibt, in die Bremse tritt oder kuppelt, lebt gefährlich – und riskiert zudem das Leben der anderen Verkehrsteilnehmer. Das haben Wissenschaftler bewiesen. Wie gefährlich es ist, nur mit Flip Flops beschuht Auto zu fahren, haben Wissenschaftler der Leuphana Universität in Lüneburg untersucht. Professor Friedrich Müller und sein Team vom LüneLab, dem Institut für Experimentelle Wirtschaftspsychologie der Leuphana, werteten an einem Fahrsimulator 5.400 Bremsmanöver aus. Flip Flops an den Füßen beeinträchtigen nachweislich die Fahrsicherheit Unter anderem untersuchten die Wissenschaftler die Reaktionen von 34 Personen, die bei jeweils der Hälfte der Bremsvorgänge feste, gut sitzende Schuhe trugen, in den anderen Situationen Flip Flops. Gemessen wurden u. a. die Reaktionszeiten und die Zeit, die benötigt wurde, um den Fuß vom Gas- zum Bremspedal umzusetzen (Umsetzzeit) sowie die Vorbremszeiten, als etwa die Zeit vom Aufleuchten einer Ampel oder dem Erscheinen von Personen auf der Fahrbahn bis zum vollständigen Betätigen des Bremspedals. Die Wissenschaftler kamen zu einem eindeutigen Ergebnis: Unter allen Bedingungen sind die Vorbremszeiten mit Flip Flops deutlich länger als die mit festen Schuhen. In überraschend auftretenden Bremssituationen – zum Beispiel ein Kind fährt plötzlich mit einem Skateboard auf die Straße – verlängert sich der Bremsweg: bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h im Durchschnitt um etwa 2,5 m. Situationen, in denen die Fahrer bei Bremsmanövern vom Pedal abrutschten, an Pedalen hängen blieben oder sich zwischen den Pedalen verhakten, wurden ausschließlich bei Flip Flop-Fahrern beobachtet. Knapp die Hälfte der Fahrer mit Flip Flops verfehlte mindestens einmal das Bremspedal, ein knappes Drittel rutsche mindestens einmal vom Pedal ab. Persönliche Einschätzung der Fahrer bestätigt Untersuchungsergebnis Achtzig Prozent der Fahrer berichten, dass sie sich beim Fahren mit Flip Flops deutlich unsicherer fühlten. Das Fahren mit ungeeignetem Schuhwerk erfordert also insgesamt eine deutlich höhere Aufmerksamkeit vom Fahrzeuglenker. Die Verkehrspsychologen nehmen deshalb an, dass sich die Bremszeiten weiterhin verlängern, wenn Fahrer durch ein komplexes Verkehrsgeschehen, durch Mitfahrer oder andere Reize abgelenkt werden. Solchen Einflüssen wollen die Wissenschaftler mit einem am LüneLab neu konzipierten Fahrsimulator in einer weiteren Studie auf die Spur kommen. GDeussing

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  • Kunststoff erhält Herzklopfen

    Bild: istock / angelhell Jedes Jahr sind tausende Menschen auf die Implantation neuer Herzklappen angewiesen. Wenn verfügbar und verträglich, werden menschliche oder tierische Transplantate eingesetzt, andernfalls synthetische Erzeugnisse der Medizintechnik. Kunststoffe spielen in letztgenanntem Kontext eine wichtige Rolle. Wissenschaftlicher haben nun im sogenannten Elektrospinning-Verfahren eine neue Art synthetischer Herzklappe entwickelt. Die neue kunststoffbasierte Herzklappe ist erstmals in der Lage, mit dem Patienten zu wachsen. Es gibt für uns Menschen keinen größeren Beleg für das Leben als der Schlag des Herzens. Bereits der vier Wochen alte, nur fünf Millimeter große Embryo hat einen Herzschlag. Angetrieben durch elektrische Impulse pumpt das bei einem durchschnittlich trainierten Erwachsenen in etwa faustgroße Organ unablässig Blut durch unseren Körper – 70mal in der Minute, 4200mal in der Stunde, 100.800mal am Tag, 36.792.000mal im Jahr. Unter Anstrengung und manchmal auch in Ruhe spüren wir unser Herz, wie es pocht und hämmert. Der Herzschlag ist für uns Menschen in vielerlei Hinsicht wichtigstes Indiz für Lebens- und Schaffenskraft, sein Fehlen indes deutet daraufhin, dass das Leben uns verlassen hat. Todesursache Nummer eins Erkrankungen an Herz und Kreislauf sind die häufigsten Todesursachen zumindest in der Bevölkerung der industrialisierten Welt. Durchblutungsstörungen des Herzmuskels aufgrund von Gefäßverengungen (Stenosen), wie sie bei Arteriosklerose infolge von Ablagerungen in den Arterien auftreten, spielen die größte Rolle. Verengte oder verstopfte Arterien führen dazu, dass das Herz, von seiner Natur her ein Muskel, nicht genügend Sauerstoff erhält, was auf Dauer zu einem Absterben des Muskelgewebes und damit auch zum Tod des Patienten führen kann. Auf Platz zwei der herzbedingten Todesarten steht der Herzinfarkt, ausgelöst durch etwa ein Blutgerinnsel, das Gefäße verstopft und den Blutfluss in Gänze zum Erliegen bringt. Auf Platz drei rangiert die Herzschwäche (Herzinsuffizienz), die unter anderem angeboren sein kann und die mit einer mangelnden Pumpleistung des Herzens verbunden ist. Fehler im Bauplan Das Herz ist ein Hohlmuskel und arbeitet wie eine Pumpe. Es hält mit seinen Kontraktionen den Blutkreislauf in Bewegung, über den alle Körpergewebe mit Sauerstoff und notwendigen Nährstoffen versorgt werden. Beim Pumpvorgang wird das Blut aus dem Herzen in das Gefäßsystem gepresst. Entspannt sich der Herzmuskel, fließt neues ein. Eine Scheidewand teilt das Herz in eine linke und eine rechte Hälfte, die wiederum aus einem linken und rechten Vorhof und einer linken und rechten Kammer bestehen. Vorhof und Herzkammer sind jeweils durch Herzklappen miteinander verbunden. Aufgabe der Herzklappen ist es dafür zu sorgen, dass kein Blut in die falsche Richtung fließt, was dramatische Auswirkungen haben kann. Von den Vorhöfen strömt das Blut weiter in die Herzkammern und dann wieder durch Herzklappen hindurch in die abführenden Blutgefäße. Bei genauer Betrachtung erfüllen die vier Herzklappen die Aufgabe von Ventilen; sie regulieren die Richtung des Blutflusses. Allerdings können angeborene Herzfehler, degenerative Veränderungen im Alter oder Entzündungen die Herzklappen und damit deren einwandfreie Funktion in Mitleidenschaft ziehen. Funktionsstörungen führen nicht selten zu einer Herzinsuffizienz oder anderen folgenreichen Herzerkrankungen. Heilung oft nur durch Operation Erkrankungen der Herzklappen können in jedem Lebensalter auftreten und sind häufig nur operativ zu beheben. Während bei manchen Patienten eine Korrektur des Herzklappenfehlers unter Erhaltung der natürlichen Herzklappe möglich ist, ist bei der Mehrheit der Patienten ein prothetischer Herzklappenersatz erforderlich. Tausende Menschen auf der ganzen Welt leben heute mit rekonstruierten, implantierten menschlichen, tierischen oder künstlichen Herzklappen. Betroffen von Herzklappenfehlern sind auch Kinder. Dem Wachstumsprozess geschuldet, dem die jungen Menschen unterliegen, sind meist mehrere Operationen erforderlich, um die Größe des Implantats der jeweiligen Herzgröße anzupassen. Jede Operation jedoch erweist sich als Belastung und Risiko für den Patienten. Künstliche Herzklappe nach dem Vorbild der Natur Dr. Svenja Hinderer. (Bild: Körber-Stiftung/David Ausserhofer). Auf der Suche nach einem synthetischen Implantat, das in der Lage ist, mit dem Organ mitzuwachsen, hat sich Svenja Hinderer, ehemals Mitarbeiterin des Instituts für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie der Universität Stuttgart begeben. Ihr Ziel war es, ein als Klappenersatz geeignetes Material zu entwickeln, das den menschlichen Körperzellen eine möglichst physiologische Umgebung zum an- und weiterwachsen bietet. Einen besonderen Fokus richtete die Chemikerin dabei vor allem auf das strukturgebende stützende Bindegewebe, dass unter anderem eine wichtige Funktion für die Ansiedlung funktionaler Körperzellen bietet. Entscheidend für die Funktionalität eines Implantats sowie der Fähigkeit, buchstäblich wachsen zu können, ist vor allem ein grundlegender Aspekt: Körperzellen müssen es sozusagen wie körpereigenes Gewebe akzeptieren und buchstäblich durchdringend in alle Raumrichtungen bevölkern können. Zudem braucht es – zumindest bei der Herzklappe, die dauerhaft in Bewegung ist – einer gewissen Flexibilität und Festigkeit bei gleichzeitiger, randschließender Passgenauigkeit. Svenja Hinderer wurde im Rahmen ihrer Promotion fündig. Biokompatible herzklappentaugliche Polymermischung In einer Mischung aus Polyethylenglycol, kurz PEG, und Polymilchsäure (Polyactide, PLA) identifizierte die Wissenschaftlerin passendes Polymermaterial. Polyethylenglycol ist ein, je nach Kettenlänge, flüssiges oder festes, chemisch inertes, wasserlösliches und nichttoxisches Polymer, das sich modifizieren und somit auch unter Einfluss von UV-Licht vernetzen lässt. Seiner Eigenschaften wegen wird es häufig in der Medizin, in der Pharmazie, in industriellen Anwendungen, in der zellbiologischen Forschung und in Kosmetikprodukten eingesetzt. Die Polymilchsäure lässt sich aus Milch gewinnen und synthetisieren und zählt zu den Polyestern, aus denen sich unter Wärmeeinfluss verformbare Kunststoffe (Thermoplaste) herstellen lassen. PLA ist biokompatibel, das heißt dieses Polymer wird im weitesten Sinnen gut vom lebenden Organismus vertragen. Spinnen im elektrischen Feld Um die Polymermischung zu einem hinreichend durchlässigen synthetischen Stützgewebe in Herzklappenform zu verarbeiten, nutzte Svenja Hinderer die Methode des Elektrospinnens. Unter Elektrospinnen versteht man die Herstellung von meist sehr dünnen Fasern aus Polymerlösungen durch die Behandlung in einem elektrischen Feld. Die Polymerlösung wird an einer Elektrode in ein elektrisches Feld dosiert und von der anderen Elektrode angezogen und beschleunigt. Dabei vollzieht sich ein komplexer Prozess, in dessen Verlauf die Polymermischung in kleine und kleinste Fasern und Gespinste aufgespalten wird, die sich auf der Gegenelektrode als Vlies ablagern. Der Durchmesser der resultierenden Fasern ist im Schnitt kleiner als 1.000 Nanometern. Ein menschliches Haar misst rund 80.000 Nanometer. Optimierung der Materialeigenschaften Um die Eigenschaften des Materials weiter denen natürlicher Herzklappen anzugleichen, habe Svenja Hinderer zusätzlich Proteoglykane versponnen, die unter anderem für die Wasserspeicherfähigkeit des Herzklappengewebes entscheidend sind. Wichtig sei es gewesen, erklärt die Wissenschaftlerin, sicherzustellen, dass die empfindlichen, das Transplantat besiedelnden Proteine ihre Funktion nicht verlieren. Am Ende ihrer Versuche gelang es Svenja Hinderer eine Struktur herzustellen, die vom Aufbau (morphologisch) der natürlichen extrazellulären Matrix der Herzklappe sehr ähnelte. In einem Bioreaktor, der Wasser – wie das Herz Blut – durch die Klappen pumpt, simulierte die Chemikerin die physiologischen Drücke des Herzens – mit zufriedenstellenden Resultaten: Das Material hielt ihnen stand. Die Bioreaktorsimulation habe auf beeindruckende Weise dokumentiert, wie das Material als Herzklappenersatz die Funktion des Öffnens und Schließens übernehme. Ein nächster Test erfolgte in einem von einer Ingenieursstudentin in ihrem Team entwickelten Bioreaktor, in dem sie das elektrogesponnene Material zusammen mit menschlichen Zellen kultivieren konnte. Svenja Hinderer: „Aufgrund der mechanischen Reize im Reaktor – sie waren denen im menschlichen Organismus nachempfunden – begannen die Zellen nach bereits sechs Tagen, elastische Fasern zu bilden.“ Das im Bioreaktor gereifte Gewebe haben die gleichen Strukturen aufgewiesen wie eine sich natürlich entwickelnde embryonale Herzklappe. Aussichtsreiche Ergebnisse fordern weitere Forschung Elastische Fasern verleihen Geweben wie Haut, Blutgefäßen oder eben Herzklappen ihre Widerstandsfähigkeit und Elastizität. Sind sie einmal zerstört, ist der menschliche Organismus nicht in der Lage, sie von sich aus zu regenerieren oder zu erneuern. Sie werden nur während der Embryonalentwicklung und in den ersten Jahren nach der Geburt gebildet. Die künstliche Herzklappe nach dem Vorbild der Natur von Dr. Svenja Hinderer kann helfen, irreversible Schäden gut zu beheben: Das stabile und zugleich elastische polymerbasierte Trägersubstrat ist biokompatibel und sterilisierbar – und damit für medizinische Anwendungen hervorragend geeignet. Ziel sei es nun, ein „zellfreies Medizinprodukt zu entwickeln, das erst nach dem Einsetzen in den Patienten von Zellen besiedelt wird“. Dazu erforscht Hinderer, die seit Juli 2015 die Gruppe „Biomaterialien, Bioreaktoren und Bioimaging“ am Fraunhofer IGB leitet, wie die Trägersubstrate mit weiteren spezifischen Proteinen modifiziert werden können, um gezielt Stammzellen anzulocken. Weitere Plan: Während die Zellen das Material besiedeln und eine neue Herzklappe mit ihrer eigenen Matrix bilden, soll das polymere Grundgerüst später im Körper abgebaut werden. Dadurch hat es das Potenzial, im Kinderherzen mitzuwachsen. Bis es jedoch soweit ist, wird sich die künstliche Herzklappe zunächst im Tiermodell an Schweinen beweisen müssen. Autor: Guido Deußing (guido.deussing@pressetextkom.de) Weiterführende Informationen Deutscher Studienpreis der Körber-Stiftung 2015 (1): Eine künstliche Herzklappe am Vorbild der Natur Deutscher Studienpreis der Körber-Siftung 2015 (2): Eine künstliche Herzklappe am Vorbild der Natur

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  • Fünffache Leistungssteigerung durch sanfte Behandlung

    Die Wissenschaftler im Institut für Polymerforschung haben ein neues Herstellungsverfahren für Membranmaterialien entwickelt. Das neue Material zeigt eine fünffach höhere Permeabilität gegenüber konventionell thermisch hergestellten Material. [Foto: Christian Schmid/HZG] Im Institut für Polymerforschung am Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) entwickeln die Wissenschaftler maßgeschneiderte Membranmaterialien auf Grundlage thermisch umgelagerter Polymere. Kürzlich gelang es damit den Forschern die Membranen statt bei 450 Grad Celsius bei 250 Grad herzustellen. Ein Durchbruch, denn dadurch besitzen die neuen Materialien eine fünffach höhere Wirkung bei gleichzeitig verdoppelter Syntheserate. Außerdem ist das neue Polymer für Membranen weniger spröde. Die Polymerforscher stellen ihre Arbeiten zu den neuen Materialien erstmals am 30. Juli 2016 in der Fachzeitschrift Science Advances vor. Mithilfe von Membranen können einzelne Bestandteile aus flüssigen oder gasförmigen Stoffgemischen abgetrennt werden. Zum Beispiel lassen sich Kohlendioxid aus Verbrennungsabgasen entfernen oder Schadstoffe aus Gewässern herausfiltern. Die neuen Membranmaterialien gehören chemisch zur Stoffgruppe der Polyimide. Bestimmte organische Gruppen wandeln sich bei der Temperaturbehandlung in chemisch stabilere Formen um. Dazu der Leiter des Instituts für Polymerforschung und Co-Autor der Veröffentlichung, Prof. Dr. Volker Abetz: „Die von uns entwickelte neue Verbindung ist ideal für eine Vielzahl von zu trennenden Gasen.“ Die Schwierigkeit zuvor: Herkömmlich hergestellt, sind diese Membranen meist spröde und brechen leicht. Die HZG-Wissenschaftler veränderten daher die chemische Struktur sowie einige Herstellungsparameter, um die Bedingungen der thermischen Umlagerung zu verbessern. Durch Vorschalten einer sogenannten Claisen-Umlagerung wurde die für die thermische Umlagerung notwendige Temperatur von circa 450 Grad Celsius auf rund 250 Grad gesenkt. Gleichzeitig konnte dabei die Umlagerungsrate um 50 Prozent gegenüber der herkömmlichen Synthese gesteigert werden. Mithilfe von Membranen können zum Bespiel Schadstoffe aus Gewässern herausgefiltert werden. [©Foto: Istock wissanu01] Volker Abetz: „Die neuen thermisch umgelagerten Polymere sind mechanisch und chemisch besonders stabil und zeigen eine fünffach höhere Permeabilität gegenüber konventionell thermisch hergestellten Material. Durch die niedrigeren Umlagerungstemperaturen lassen sich zudem erstmals Dünnfilmkomposit-Membranen herstellen. Das scheiterte bisher daran, dass die üblichen für die Herstellung notwendigen Trägermaterialien bei den 450 Grad der konventionellen Synthese völlig zerstört werden." Insgesamt gewinnen die Membranen durch die neuen Generation von Polymermaterialien enorm an Attraktivität: Die niedrigeren Herstellungstemperaturen und die verbesserten Trenneigenschaften führen diese neuen Membranen erstmals in die wirtschaftliche Relevanz. Die Helmholtz-Wissenschaftler sind sich sicher, damit die Membranmaterialien von morgen auf den Weg gebracht zu haben. Quelle „Claisen thermally rearranged (CTR) polymers“ Alberto Tena, Sofia Rangou, Sergey Shishatskiy, Volkan Filiz, Volker Abetz, Science Advances, 29.07.2016. DOI: 10.1126/sciadv.1501859

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  • Neue Biokunststoffe aus Proteinen

    Federn dienen Dr. Rosencrantz als Rohstoff für neue Materialien auf Keratinbasis. Bild: Fraunhofer IAP Biomaterialien aus nachwachsenden Rohstoffen bilden seit fast 25 Jahren einen Schwerpunkt am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam-Golm. Bisher lag der Fokus auf pflanzlichen Rohstoffen wie Cellulose, Stärke oder Lignin. Jetzt entwickeln die Forscher auch Biomaterialien aus Proteinen. Zwei neue Abteilungen befassen sich mit dem Thema. "Funktionsintegrierte Polymerfilme" sind der Schwerpunkt der gleichnamigen neu gebildeten Abteilung am Fraunhofer IAP. Unter der Abteilungsleitung von Dr. Murat Tutuş erweitert das Institut damit ab Juli 2016 das Forschungsspektrum des Instituts. Konservierende Frischhaltefolien für die Verpackung frischer Nahrungsmittel wie zum Beispiel Käse sind ein Thema, das im Fokus der Forschung steht. "Wir beschichten Folien mit natürlichen Proteinen, die auf der Oberfläche des Lebensmittels konservierend wirken. Der Clou ist, dass das natürliche Konservierungsmittel selber nicht in die Nahrung eindringt, weshalb die Nahrungsmittel naturbelassen bleiben. Ein wichtiger Aspekt in Zeiten sinkender Kundenakzeptanz für Konservierungsmittel", erklärt Tutuş. Frischhaltefolien, die sicher konservieren Durch die Kombination der vielseitigen Kompetenzen des Instituts möchte das Forscherteam Produkte "komplett aus einer Hand" entwickeln: Künftig sollen im Fraunhofer IAP entwickelte biobasierte Folien beschichtet werden. Auch die IAP-Expertisen zu Oberflächentechnologien und der Biotechnologie im Haus werden genutzt. "Das Beschichtungssystem werden wir auch einsetzen, um Nachweisstreifen zu entwickeln, die die Frische von Lebensmitteln anzeigen oder mit denen die Einhaltung von Kühlketten sichtbar gemacht werden kann", sagt Tutuş. Die Entwicklung und Untersuchung von funktionalisierten Membranen sowie neuer Membranmaterialien und Folien sind weitere Schwerpunkte der Abteilung. Schlachtabfälle als Rohstoff – neue Materialien aus Keratinen Die Nutzung von Keratinen aus Schlachtabfällen steht unter anderem im Fokus der Abteilung "Funktionale Proteinsysteme/Biotechnologie" unter der Leitung von IAP-Chef Prof. Alexander Böker. Keratine sind Strukturproteine, die nicht nur unseren Haaren die Form verleihen. Sie kommen zum Beispiel auch in Schnäbeln, Hufen, Fell oder Federn vor. "Normalerweise werden solche tierischen Reststoffe verbrannt oder zu Tierfutter verarbeitet. Wir möchten das Keratin aus den Schlachtabfällen nutzbar machen, indem wir daraus Materialien entwickeln. Federn eignen sich dafür besonders, da sie zu etwa 90 Prozent aus Keratinen bestehen und eine sehr definierte Zusammensetzung haben", erklärt der Biologe und Chemiker Dr. Ruben R. Rosencrantz aus Bökers Team. Keratine können beispielsweise Formaldehyd aus der Raumluft entfernen und somit als Filtermaterial bei der Sanierung formaldehydbelasteter Gebäude eingesetzt werden. Zudem haben sie auch die Eigenschaft, Schwermetalle binden zu können. Als Basis für einen Werkstoff, bzw. ein Material werden Keratine bisher noch nicht genutzt. Industriell wird das Strukturprotein beispielsweise in Form eines Hydrolysats als Zusatzstoff in Shampoos eingesetzt. Seit etwa einem Jahr entwickelt das Forscherteam um Prof. Böker unter anderem Regeneratfasern aus Keratin. "Um die Materialeigenschaften zu erhalten, möchten wir das Protein intakt lassen. Gerade erforschen wir geeignete Verfahren, um Keratin verspinnbar zu machen", so Rosencrantz. Im institutseigenen Spinntechnikum greifen die Wissenschaftler dabei auf die umfangreichen und langjährigen Erfahrungen des Fraunhofer IAP im Bereich biobasierter Fasern aus Cellulose zurück. Quelle Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

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  • Neuartiger Mineral-Kunststoff mit viel Potenzial

    Thema des Monats Juli 2016 Von Guido Deußing Wissenschaftler finden einen neuen Ansatz, um biokompatible Kunststoffe aus Salzen und Wasser herzustellen. Quelle: istock / ViktorCap Die Wissenschaft gleicht einem Perpetuum mobile: Aus sich heraus generiert sie unablässig neue kreative und innovative Forschungsansätze, die mitunter erhebliches Potenzial besitzen, unsere technisierte Zukunft zum Positiven hin zu verändern. Einen interessanten Ansatz bei der Entwicklung neuer biokompatibler Kunststoffe hat der Konstanzer Wissenschaftler Prof. Helmut Cölfen gefunden... Herkömmliche Kunststoffe werden auf Erdölbasis hergestellt und stellen für die Umwelt ein Problem dar, da sie nicht abbaubar sind. Die Arbeitsgruppe um den Konstanzer Chemiker Prof. Dr. Helmut Cölfen hat nun einen völlig neuartigen „Mineral-Kunststoff“ hergestellt, der sich strukturell an Biomaterialien anlehnt. Der Kunststoff ist ein so genanntes Hydrogel, das bei Raumtemperatur aus Kalk (amorphem Calciumcarbonat) und Polyacrylsäure in Wasser hergestellt werden kann. Er kann direkt recycelt oder auch umgeformt werden und ist im gelartigen Zustand „selbstheilend“. In getrocknetem Zustand hat das Hydrogel die Konsistenz einer Krabbenschale und ist biegsam. Das nicht-toxische plastische Material könnte in Zukunft klassische Kunststoffe teilweise ersetzen und dadurch zur Lösung von Umweltproblemen beitragen. Konventionelle Kunststoffe sind in der Regel biologisch nicht abbaubar, und auch der Prozess des Recyclings erfordert wieder Energie. Die Herstellung des Mineral-Kunststoffes durch die Konstanzer Arbeitsgruppe entspricht dem Leitbild der „Grünen Chemie“ und wurde inspiriert durch Mineralisationsprozesse in der Natur, die auf Basis von Calciumcarbonat ablaufen. Das Hydrogel, das Kunststoffe ersetzen könnte, besteht aus Nano-Partikeln von Calciumcarbonat, die durch Polyacrylsäure vernetzt werden. Das ohne Energiezufuhr bei Raumtemperatur entstehende Hydrogel ist formbar und selbstheilend, da sich etwa Risse durch die Zugabe eines Tropfen Wassers von selbst verschließen. Auch das Zusammenfügen zweier (Bau-)Teile ist auf dieselbe Weise möglich. Die Eigenschaft, bei Erhitzen die Farbe zu ändern, ermöglicht zudem einen Einsatz des Gels als Temperatursensor. Dadurch, dass das Material durch Wasserzugabe leicht und ohne Energieaufwand umgeformt werden kann, ist das Recycling problemlos. Durch Zugabe einer schwachen Säure, etwa von Essig- oder Zitronensäure, löst es sich sprudelnd durch Freisetzung von Kohlendioxid auf. Die zurückbleibende Polyacrylsäure ist ungiftig. Synthese eines Kunststoffs, hier eines supramolekularen ACC/PAA-Hydrogels, durch Mischen von Calciumchlorid, Natriumkarbonat und Polyacrylsäure (PAA) in Wasser (ACC: amorphes Calciumcarbonat). Abbildung: Universität Konstanz „Das Verfahren der Herstellung des Hydrogels ist unmittelbar für die Industrie adaptierbar, zumal die Ausgangsmaterialien kostengünstig großtechnisch hergestellt werden“, erläutert Helmut Cölfen. Nach Trocknung erhält man ein Material wie Plastik, das nicht leicht zerbricht und biegsam ist. Dadurch ist es als Ersatz für herkömmliches Plastikmaterial für Anwendungen in Trockenheit geeignet, etwa für Elektonikbauteile. Als Weiterentwicklung wäre an Überzugsmaterialien zu denken, die dann aber das Recycling möglichst nicht beeinflussen sollten. Die besondere Quellfähigkeit und gleichzeitige Härte nach Trocknung macht das Material für Bauanwendungen interessant, um Risse aufzufüllen. Im Vergleich zu Biomineralien ist das Hydrogel formbar, während etwa Knochen oder Zähne hart sind, sobald das Biomineral fertig ausgebildet wurde. Nicht nur im Hinblick auf diese in der Natur ablaufenden Prozesse ist es für die Arbeitsgruppe um Helmut Cölfen an der Universität Konstanz daher interessant, wie die Eigenschaften solcher Gele systematisch verändert und damit noch weitere „Mineral-Kunststoffe“ für spezielle Anwendungen hergestellt werden können. Künftige Forschungsvorhaben werden die neue Substanzklasse auch daraufhin unter die Lupe nehmen, welche medizinischen Anwendungen denkbar sind. Unter anderem sollen weitere Mineralien als Ausgangsstoff getestet werden, und es ist daran gedacht, Polyasparaginsäure als Vernetzungsmittel einzusetzen. Diese ist vollständig biologisch abbaubar. Quelle Hydrogele aus amorphem Calciumcarbonat und Polyacrylsäure: Bioinspirierte Materialien für "Mineral-Kunststoffe ", Shengtong Sun, Li-Bo Mao, Zhouyue Lei, Shu-Hong Yu und Helmut Cölfen. Angewandte Chemie (DOI: 10.1002/anie.201606536).

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