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Organisationseinheit der BAM
Drug and gene delivery via nanoparticles across biological barriers such as the alveolar-capillary barrier of the lung constitutes an interesting and increasingly relevant field in nanomedicine. Nevertheless, potential hazardous effects of nanoparticles (NPs) as well as their cellular and systemic fate should be thoroughly examined. Hence, this study was designed to evaluate the effects of amorphous silica NPs (Sicastar) and (poly)organosiloxane NPs (AmOrSil) on the viability and the inflammatory response as well as on the cellular uptake mechanisms and fate in cells of the alveolar barrier. For this purpose, the alveolar epithelial cell line (NCI H441) and microvascular endothelial cell line (ISO-HAS-1) were used in an experimental set up resembling the alveolar-capillary barrier of the lung. In terms of IL-8 and sICAM Sicastar resulted in harmful effects at higher concentrations (60 µg/ml) in conventional monocultures but not in the coculture, whereas AmOrSil showed no significant effects. Immunofluorescence counterstaining of endosomal structures in NP-incubated cells showed no evidence for a clathrin- or caveolae-mediated uptake mechanism. However, NPs were enclosed in flotillin-1 and -2 marked vesicles in both cell types. Flotillins appear to play a role in cellular uptake or trafficking mechanisms of NPs and are discussed as indicators for clathrin- or caveolae-independent uptake mechanisms. In addition, we examined the transport of NPs across this in vitro model of the alveolar-capillary barrier forming a tight barrier with a transepithelial electrical resistance of 560 ± 8 Ω cm². H441 in coculture with endothelial cells took up much less NPs compared to monocultures. Moreover, coculturing prevented the transport of NP from the epithelial compartment to the endothelial layer on the bottom of the filter insert. This supports the relevance of coculture models, which favour a differentiated and polarised epithelial layer as in vitro test systems for nanoparticle uptake.
Interactions of silica nanoparticles with lung epithelial cells and the association to flotillins
(2012)
Amorphous silica nanoparticles (aSNPs) gain increasing popularity for industrial and therapeutic claims. The lung with its surface area of 1006#8211;140 m² displays an ideal target for therapeutic approaches, but it represents also a serious area of attack for harmful nanomaterials. The exact nature of the cytotoxic effects of NPs is still unknown. Furthermore, cellular pathways and the destiny of internalized NPs are still poorly understood. Therefore, we examined the cytotoxicity (MTS, LDH) and inflammatory responses (IL-8) for different-sized aSNPs (30, 70, 300 nm) on our lung epithelial cells line NCI H441 and endothelial cell line ISO-HAS-1. Additionally, colocalization studies have been conducted via immunofluorescence staining for flotillin-1- and flotillin-2-bearing endocytic vesicles. Subsequently, the relevance of flotillins concerning the viability of aSNP-exposed epithelial cells has been evaluated using flotillin-1/2 depleted cells (siRNA). This study reveals the relevance of the nanoparticle size regarding cytotoxicity (MTS, LDH) and inflammatory responses (IL-8), whereat the smaller the size of the nanoparticle is, the more harmful are the effects. All different aSNP sizes have been incorporated in flotillin-1- and flotillin-2-labelled vesicles in lung epithelial and endothelial cells, which display a marker for late endosomal or lysosomal structures and appear to exhibit a clathrin- or caveolae-independent mode of endocytosis. Flotillin-depleted H441 showed a clearly decreased uptake of aSNPs. Additionally, the viability of aSNP-exposed cells was reduced in these cells. These findings indicate a contribution of flotillins in as yet unknown (clathrin or caveolae-independent) endocytosis mechanisms and (or) endosomal storage.
To date silica nanoparticles (SNPs) play an important role in modern technology and nanomedicine. SNPs are present in various materials (tyres, electrical and thermal insulation material, photovoltaic facilities). They are also used in products that are directly exposed to humans such as cosmetics or toothpaste. For that reason it is of great concern to evaluate the possible hazards of these engineered particles for human health. Attention should primarily be focussed on SNP effects on biological barriers. Accidentally released SNP could, for example, encounter the alveolar-capillary barrier by inhalation. In this study we examined the inflammatory and cytotoxic responses of monodisperse amorphous silica nanoparticles (aSNPs) of 30 nm in size on an in vitro coculture model mimicking the alveolar-capillary barrier and compared these to conventional monocultures.
Methods
Thus, the epithelial cell line, H441, and the endothelial cell line, ISO-HAS-1, were used in monoculture and in coculture on opposite sides of a filter membrane. Cytotoxicity was evaluated by the MTS assay, detection of membrane integrity (LDH release), and TER (Transepithelial Electrical Resistance) measurement. Additionally, parameters of inflammation (sICAM-1, IL-6 and IL-8 release) and apoptosis markers were investigated.
Results
Regarding toxic effects (viability, membrane integrity, TER) the coculture model was less sensitive to apical aSNP exposure than the conventional monocultures of the appropriate cells. On the other hand, the in vitro coculture model responded with the release of inflammatory markers in a much more sensitive fashion than the conventional monoculture. At concentrations that were 10-100fold less than the toxic concentrations the apically exposed coculture showed a release of IL-6 and IL-8 to the basolateral side. This may mimic the early inflammatory events that take place in the pulmonary alveoli after aSNP inhalation. Furthermore, a number of apoptosis markers belonging to the intrinsic pathway were upregulated in the coculture following aSNP treatment. Analysis of the individual markers indicated that the cells suffered from DNA damage, hypoxia and ER-stress.
Conclusion
We present evidence that our in vitro coculture model of the alveolar-capillary barrier is clearly advantageous compared to conventional monocultures in evaluating the extent of damage caused by hazardous material encountering the principle biological barrier in the lower respiratory tract.
Seit einigen Jahren beschäftigt sich eine Gruppe der BAM mit der Entwicklung angepasster GMR-Sensorik (giant magneto resistance, Riesenmagnetwiderstand) für spezielle ZfP-Probleme. Hierbei wurden reichhaltige Erfahrungen auf dem Gebiet der automatisierten Streuflussprüfung mit GMR-Sensoren gesammelt (DACH-Tagung 2012, Graz).
Die an der BAM gewonnenen Erkenntnisse veranlassten Europas zweitgrößten Stahlhersteller, Tata Steel Europe, mit der BAM eine Lösung für ein spezielles Prüfproblem zu finden. Ziel ist es, dünne Bleche im Fertigungsprozess auf kleinste Inhomogenitäten automatisiert zu prüfen.
In einem ersten Schritt wurden durch die Tata Steel Europe 0,2 Millimeter starke Testbleche hergestellt, in die Fehler von 5-60 Mikrometern Tiefe eingebracht wurden. Anschließend wurden von der BAM vergleichende Prüfungen mit Wirbelstrom und GMR-Streufluss durchgeführt. Nur mit letzterer Methode gelang es, einen Teil der verdeckten Testfehler sicher zu detektieren. In einem zweiten Schritt wurden verschiedene Untersuchungen zur Praxistauglichkeit der Sensorik (Prüfgeschwindigkeit; Sensorabstand etc.) durchgeführt. Die Ergebnisse der verschiedenen Untersuchungen und ein möglicher Weg zum praktischen Einsatz der Sensorik werden vorgestellt.
At BAM, the Federal Institute for Materials Research and Testing, a group of scientists develops NDT-applications based on GMR sensor technology. In particular, the knowledge gained in the field of automated testing systems based on the magnetic flux leakage (MFL) were combined with GMR sensors to achieve high resolution testing of ferromagnetic materials.
In cooperation with Europe's second largest steel producer, Tata Steel Europe, BAM is working on solutions for the detection of small inhomogeneities in thin steel plates. The objective is to incorporate an automated testing facility in a production line.
Before setting up an automated testing system, a feasibility study was carried out in order to verify the ability of GMR-MFL-testing and eddy current testing (ET) for the detection of hidden defects in thin steel plates. For this purpose, Tata Steel Europe fabricated in a first step test samples of 0.2 mm thick steel plates in which defects of different depth (5 – 60 µm) were introduced. Only in case of GMR-MFL-testing, we were able to detect parts of the hidden defects trustworthily with a SNR better than 10 dB. The lift off between sensor and surface was 250 ìm. On this basis, we investigated different testing scenarios including velocity tests and different lift offs. The achieved results for this special testing problem were presented leading to a practical example for GMR-based testing and paving the way to an automated testing system in a production line.
BAM und TATA Steel untersuchen gemeinsam, ob sich die Prüfung von ferritischen Feinblechen mit einer Stärke von etwa 0,2 mm während der Fertigung durch den Einsatz von GMR-Sensorik verbessern lässt. Hierzu wurde eine Vorstudie an Feinblechen mit eingebrachten Mikronuten durchgeführt. Diese Nuten variieren in ihrer Tiefe zwischen 5 μm und 60 μm und wurden verdeckt mit ZfP-angepassten GMR-Sensorarrays geprüft. Die Ergebnisse der Vorstudie zeigten, dass bei verdeckter Prüfung schon kleinste Defekte mit einer Tiefe von 10 μm - gleichbedeutend mit einer Restwanddicke von 90 % – mit einem SNR > 6 dB detektiert werden konnten, wobei der Abstand der Prüfsonde zur Oberfläche bis zu 500 μm betrug. Zudem wurden in der Vorstudie Untersuchungen zur Prüfgeschwindigkeit und Praxistauglichkeit durchgeführt.
Basierend auf den hier gewonnenen Ergebnissen wird ein erster Demonstrator für eine zuverlässige Prüfung eines Teilbereiches von 50 mm des Feinbleches innerhalb einer Produktionslinie aufgebaut. Zum Einsatz kommen Prüfsonden mit jeweils 24 GMR-Sensorelementen. Hierbei wird das Ziel einer umfassenden Prüfung des Feinblechs über die gesamte Breite von 1200 mm angestrebt. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die hohe Anzahl von mehr als 1000 Sensorelementen dar. Das hierfür entwickelte Prüfkonzept umfasst neben einer angepassten Erzeugung des Magnetfeldes die Entwicklung einer geeigneten schnellen und sicheren Elektronik für die neuen Mehrkanalprüfköpfe. Neben der Vorstellung des Prüfkonzeptes und seiner Eigenschaften vergleichen wir die erzielten Prüfergebnisse an verschiedenen Vergleichsfehlern mit denen der Vorstudie.
Der Large Hadron Collider (LHC) des europäischen Kernforschungszentrums CERN ist einer der weltweit größten und leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger. Um den Teilchenstrahl auf seiner Kreisbahn zu halten, werden mit Hilfe supraleitender Spulen sehr starke Magnetfelder erzeugt. Die hierzu benötigten hohen Ströme werden über Verbunddrähte aus Niob-Titan und Kupfer geleitet.
Die Drähte werden u.a. durch Ultraschallschweißungen miteinander verbunden. Eine mangelhafte Verbindung kann zur Erwärmung der Kontaktstelle und in Folge davon zum Zusammenbruch der Supraleitung führen. Auf Anfrage des CERN wurden an der BAM Untersuchungen zur Prüfbarkeit solcher Verbindungen bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Es gelang, für einen Verbindungstypen einen Wirbelstromsensor für eine manuelle Prüfung zu entwickeln. Ein Prototyp des Sensors befindet sich beim CERN in der praktischen Erprobung. Das Sensorprinzip sowie Prüfergebnisse aus Labor und Praxis werden vorgestellt.
PLR Prüftechnik Linke & Rühe Magdeburg und die BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Berlin haben in Zusammenarbeit mit anderen Partnern im Laufe der letzten Jahre verschiedene Wirbelstromsysteme zur Prüfung verlegter Schienen auf rissartige Fehler des Typs Head Checks entwickelt. Die Entwicklung dieser Systeme erfolgte mit dem Ziel, ein Hilfsmittel für die Planung von Schieneninstandhaltungsmaßnahmen zu schaffen. Die Systeme haben sich im praktischen Prüfeinsatz bewährt. Hierzu wurde regelmäßig auf den vorhergehenden Tagungen berichtet. Bei der Schieneninstandhaltung kommen unterschiedliche Typen von Schienenbearbeitungsmaschinen zum Einsatz, z. B. Schienenfräs- und Schleifzüge. Seit einiger Zeit wird von Seiten der Schienennetzbetreiber vermehrt ein Qualitätsnachweis nach erfolgter Schienenbearbeitung gefordert. Hierzu wurde ein Wirbelstromprüfsystem entwickelt, dass speziell an die Erfordernisse der Qualitätsüberwachung in Schienenbearbeitungsmaschinen angepasst ist. Das Prüfsystem wird vorgestellt und über erste Erfahrungen aus dem praktischen Einsatz wird berichtet.
About the Role of Interfaces on the Fatigue Crack Propagation in Laminated Metallic Composites
(2021)
The influence of gradients in hardness and elastic properties at interfaces of dissimilar materials in laminated metallic composites (LMCs) on fatigue crack propagation is investigated experimentally for three different LMC systems: Al/Al-LMCs with dissimilar yield stress and Al/Steel-LMCs as well as Al/Ti/Steel-LMCs with dissimilar yield stress and Young’s modulus, respectively. The damage tolerant fatigue behavior in Al/Al-LMCs with an alternating layer structure is enhanced significantly compared to constituent monolithic materials. The prevalent toughening mechanisms at the interfaces are identified by microscopical methods and synchrotron X-ray computed tomography. For the soft/hard transition, crack deflection mechanisms at the vicinity of the interface are observed, whereas crack bifurcation mechanisms can be seen for the hard/soft transition. The crack propagation in Al/Steel-LMCs was studied conducting in-situ scanning electron microscope (SEM) experiments in the respective low cycle fatigue (LCF) and high cycle fatigue (HCF) regimes of the laminate. The enhanced resistance against crack propagation in the LCF regime is attributed to the prevalent stress redistribution, crack deflection, and crack bridging mechanisms. The fatigue properties of different Al/Ti/Steel-LMC systems show the potential of LMCs in terms of an appropriate selection of constituents in combination with an optimized architecture. The results are also discussed under the aspect of tailored lightweight applications subjected to cyclic loading.