Fluorescence characterization of clinically-important bacteria

Healthcare-associated infections (HCAI/HAI) represent a substantial threat to patient health during hospitalization and incur billions of dollars additional cost for subsequent treatment. One promising method for the detection of bacterial contamination in a clinical setting before an HAI outbreak occurs is to exploit native fluorescence of cellular molecules for a hand-held, rapid-sweep surveillance instrument. Previous studies have shown fluorescence-based detection to be sensitive and effective for food-borne and environmental microorganisms, and even to be able to distinguish between cell types, but this powerful technique has not yet been deployed on the macroscale for the primary surveillance of contamination in healthcare facilities to prevent HAI. Here we report experimental data for the specification and design of such a fluorescence-based detection instrument. We have characterized the complete fluorescence response of eleven clinically-relevant bacteria by generating excitation-emission matrices (EEMs) over broad wavelength ranges. Furthermore, a number of surfaces and items of equipment commonly present on a ward, and potentially responsible for pathogen transfer, have been analyzed for potential issues of background fluorescence masking the signal from contaminant bacteria. These include bedside handrails, nurse call button, blood pressure cuff and ward computer keyboard, as well as disinfectant cleaning products and microfiber cloth. All examined bacterial strains exhibited a distinctive double-peak fluorescence feature associated with tryptophan with no other cellular fluorophore detected. Thus, this fluorescence survey found that an emission peak of 340nm, from an excitation source at 280nm, was the cellular fluorescence signal to target for detection of bacterial contamination. The majority of materials analysed offer a spectral window through which bacterial contamination could indeed be detected. A few instances were found of potential problems of background fluorescence masking that of bacteria, but in the case of the microfiber cleaning cloth, imaging techniques could morphologically distinguish between stray strands and bacterial contamination

Experimental determination of the permeability of engineering textiles: Benchmark II

In this second international permeability benchmark, the in-plane permeability values of a carbon fabric were studied by twelve research groups worldwide. One participant also investigated the deformation of the tested carbon fabric. The aim of this work was to obtain comparable results in order to make a step toward standardization of permeability measurements. Unidirectional injections were thus conducted to determine the unsaturated in-plane permeability tensor of the fabric. Procedures used by participants were specified in the guidelines defined for this benchmark. Participants were asked to use the same values for parameters such as fiber volume fraction, injection pressure and fluid viscosity to minimize sources of scatter. The comparison of the results from each participant was encouraging. The scatter between data obtained while respecting the guidelines was below 25%. However, a higher dispersion was observed when some parameters differed from the recommendations of this exercise.The authors are grateful to J.M. Beraud from Hexcel Fabrics for his support that made possible this exercise. The contributions of J.B. Alms, N.C. Correia, S. Advani, E. Ruiz and P.C.T. Goncalves to the preparation of the guidelines document and templates are acknowledged by the participants of this benchmark.Vernet, N.; Ruiz, E.; Advani, S.; Alms, JB.; Aubert, M.; Barburski, M.; Barari, B.... (2014). Experimental determination of the permeability of engineering textiles: Benchmark II. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 61:172-184. doi:10.1016/j.compositesa.2014.02.010S1721846

Prozesskette zur Faltmontage für miniaturisierte komplexe Optiksysteme

Optische Systeme sind wesentlicher Bestandteil unseres täglichen Lebens. Neben den linsenbasierten axialen Optiksystemen, wie sie beispielsweise in den meisten Kameraoptiken verwendet werden, bieten nichtaxiale spiegelbasierte Optiksysteme hohes Potenzial in spektral anspruchsvollen Anwendungen. Dem Vorteil des Fehlens von Linsen-Farbfehlern, wie chromatische Aberration und Absorption in den Linsen steht die komplexe Montage und Justage der Optikkomponenten gegenüber. Hierdurch wurde bislang die breite Markteinführung, beispielsweise für kompakte Nahinfrarotspektrometer in Lebensmittelanwendungen oder Multispektralkameras für die Fahrerassistenz, verhindert. Ein neuartiger Ansatz des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme (IPMS) könnte die bisherigen Einschränkungen beseitigen. Der Ansatz der sogenannten Faltmontage basiert auf der Idee des Faltens von Substraten, einer Idee die beispielsweise in der japanischen Kunst des Papierfaltens „Origami“ verwendet wird. Im technischen Ansatz wird ein planares Substrat mit Biegestrukturen entlang gezielt einstellbarer Biegelinien versehen. Nach der Bestückung der Komponenten mit verfügbaren hochgenauen 2D Bestückungsautomaten wird der dreidimensionale Körper durch Falten des Substrates realisiert, der komplexe Strahlengang in Inneren entsteht automatisch. Wird eine ausreichende Genauigkeit des Substrats, der Bestückung und des Faltprozesses erreicht, sind keine Justageschritte notwendig. In Vorversuchen wurden mit Substraten aus der additiven Fertigung (3D Druck) bereits erfolgreich Kamerasysteme und NIR Spektrometer realisiert. Die grundlegende Eignung von Spritzgussverfahren für die Faltmontage wurde in Kooperation mit dem Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik (PUK) der TU Clausthal nachgewiesen.Für die Überführung des technischen Ansatzes in die Volumenfertigung ist die Validierung der Prozesskette zur Faltmontage für miniaturisierte komplexe Optiksysteme notwendig. Aufbauend auf vielversprechenden Ergebnissen aus Vorversuchen werden wichtige Innovationen angestrebt. Dabei dient das Spritzgussverfahren unter Berücksichtigung spezieller Designrules als volumentaugliches Verfahren für die Substratherstellung mit hoher Präzision sowie Option auf Integration von optischen Funktionsflächen. Neben der Entwicklung eines Spritzguss- und Werkzeugkonzeptes werden zwei stark vereinfachte Funktionaldemonstratoren für auf den Faltmontageansatz aufbauende Systeme realisiert. Eine Multispektralkamera für Pkw-Spiegelfuß zeigt Potenzial für den Einsatz im Bereich der Fahrerassistenzsysteme und ein NIR Spektrometer für mobile Anwendungen in der Landwirtschaft und dem Lebensmittelsektor

Modellierung, Herstellung und Evaluierung von Polymer-Protein-Kompositen mittels additiver Fertigungstechnologien

Die Biologisierung wird als “Zusammenführung technischer und biologischer Komponenten und Prozesse definiert”. Vorreiter in dieser Disziplin sind neuartige Prozesstechnologien in der Herstellung von innovativen ingenieurs- und materialwissenschaftlichen Entwicklungen, sowie moderne Medizintechnik und Life Science Anwendungen. Das Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (CZM) arbeitet zusammen mit der IBA Lifesciences GmbH, Göttingen im Bereich der Zellseparation an dieser innovativen Thematik. Mit der von IBA entwickelten Fab-TACS® Technologie (Traceless Affinity Cell Selection) ist es bereits heute möglich, spezifische Zellen und subzelluläre Komponenten wie beispielsweise Exosomen in einem zellschonenden Verfahren aus Vollblutproben in hoher Qualität, Ausbeute und Reinheit aufzureinigen. Dieser bereits marktfähige Ansatz wird im Rahmen des Förderprogramms Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) als interdisziplinäres Kooperationsprojektes BioReg (Fördernummer: 16KN053640/-41) weiterentwickelt. Das Ziel ist es, mittels additiver Fertigungstechnologie diese Zelltrenntechnologie in einem mehrstufigen Verfahren für eine kostengünstige industrielle Fertigung mit den erforderlichen hohen Qualitätsansprüchen weiter zu entwickeln. Dabei werden die Modellierung der Separationseinheit, die Mikrofluidik, die Funktionalisierung des Materials zu Polymer-Protein-Kompositen und die Optimierung der Anwendung unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen intensiv betrachtet

A computational tool for investigations on the lifetime estimation of multi-directional laminates under multiaxial stress states based on layerwise structural analysis

In the present paper a calculation tool for the lifetime prediction of composite materials with focus on local multiaxial stress states and different local stress ratios within each lamina is developed. The approach is based on repetitiv, progressive in-plane stress calculations using classical laminate theory with subsequent analysis of the material stressing effort and use of appropriate material degradation models. Therefore experimentally data of S-N curves are used to generate anistropic constant life diagrams for a closer examination of critical fracture planes under any given combination of local stress ratios. The model is verified against various balanced angle plies and multi-directional laminates with arbitrary stacking sequences and varying stress ratios throughout the analysis. Different sections of the model, such as residual strength and residual stiffness, are examined and verified over a wide range of load cycles. The obtained results agree very well with the analyzed experimental data