Forschendes Lernen mit Ernstcharakter Elektrische Ladungstrennung bei der Gerinnung von Blut

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1 Forschendes Lernen mit Ernstcharakter Elektrische Ladungstrennung bei der Gerinnung von Blut Peter Eyerer, Dörthe Krause, Peter Elsner, Sebastian Eyerer, Gisela König TheoPrax Zentrum und TheoPrax Stiftung am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Joseph-von-Fraunhofer-Straße 7, Prinztal (Berghausen) Kurzfassung Am Beispiel eines in der Physik wenig bekannten elektrischen Effektes der Ladungstrennung während der Wanderung von Phasenfronten fest-flüssig wird forschendes Lernen mit Schülergruppen in der gymnasialen Oberstufe erläutert. Die positiven Ergebnisse aus 10jähriger universitärer Erprobung von Lehrmethodenmischungen (TheoPrax-Methodik) sind eine hohe Motivation zur Einbindung von Schülern (abiturrelevante Bewertungen) in laufende Forschungsprojekte. Fachlich wurde in den Jahren 1944 bis 1985 der Effekt Ladungstrennung an wandernden Phasenfronten in verschiedenen Fachgebieten (Wasser-Eis, Wachs, Kunststoffe) unabhängig von verschiedenen Forschern (Workman/Reynolds, Costa Ribeiro, Eyerer) entdeckt. Seit 2007 erforscht Eyerer et al. den Effekt während der Gerinnung von Blut. Für SchülerInnen und LehrerInnen bietet sich ein neues Arbeitsfeld, das Physik, Chemie, Biologie und Mikrosystemtechnik mit einander verbindet. Wissenschaftliches Arbeiten und parallel das Erlernen und Üben von Projektmanagement sind Methoden, die SchülerInnen und LehrerInnen an Schulen nicht kennen lernen. Die Durchführung der Forschungen erfolgten am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal (Berghausen) bei Karlsruhe. Zur Messung von Ladungstrennungen wurde neben nativem Blut vor allem inhibitiertes Blutplasma verwendet, das durch Zudosierung von Calciumchlorid CaCl 2 zu beliebigen Zeitpunkten aktivierbar ist. Aufgrund der niedrigeren Dichte des CaCl 2 schwimmt es auf dem Blutplasma. Die Ergebnisse sind zwischenzeitlich zu 90 % reproduzierbar. Durch den Vergleich verschiedener Methoden wird erwartet, dass verbesserte Hypothesen zur Erklärung des Effektes aufgestellt werden können, die dann experimentell zu einer sichereren theoretischen Aufklärung führen sollten. Diese ist eine Basis für geplante technisch-medizinische Anwendungen im Bereich Blutgerinnung an Implantaten (Stents, Bypässe u.a.). 1. Jugend lernt Technik und forscht begeistert Eigene Beobachtungen, rückblickende Aussagen zur Ausbildung von im Berufsleben Stehenden [1] und erste Ergebnisse einer breit ausgelegten derzeit laufenden Umfrage bestätigen übereinstimmend: Die lehrerzentrierte (frontale) Wissensvermittlung ist, je nach Unterrichtsfach, bis zu 80% dominant. In Mathematik, Physik und Chemie liegt der Anteil beispielsweise zwischen 60 % und 80 %, in Deutsch, Erdkunde, Sprachen und Geschichte zwischen 40 % und 65 %. Ein hoher prozentualer Anteil der frontalen Wissensvermittlung, insbesondere in den naturwissenschaftlichen Fächern, hat häufig eine mäßige Lernmotivation und eine geringere Lerneffizienz zur Folge. Im Gegensatz dazu bewirken Methodenmischungen (Bild 1) der Unterrichtsgestaltung in beiden Fällen eine deutliche Steigerung (Bild 2 [2]). Bild 1: Kombinierte Lehr- und Lernkultur (Methodenmischung) generiert Unternehmer Bild 2: Lerneffizienz: Wissensvergleich Frontalvorlesung TheoPrax Methodik [2]

2 2 Die von TheoPrax seit 1996 entwickelte und praktizierte Methodenmischung auch an der Universität Stuttgart [2] ergab, über knapp 2 Jahrzehnte evaluiert, die in Bild 2 zusammengefassten Ergebnisse. Diese beziehen sich auf das Fach Kunststoffkunde im Studiengang Maschinenbau bei Studenten des 5. und 6. Semesters. Die Übertragung dieser Ergebnisse auf 2 Gymnasien in Baden-Württemberg findet derzeit statt [3]. Neben den in Bild 1 dargestellten Methoden Frontalunterricht (etwa ein Drittel), Lehre im Dialog (ca. 5% Anteil, siehe [2]) und projektorientierten Gruppenübungen (ca. 25 % Anteil) spielt die Projektarbeit eine gleichgewichtige Rolle (ca. ein Drittel). Diese Projektarbeit ist lehrplanintegriert, findet in betreuten Gruppen von 3 bis 6 Schülern (Klassenverbünde von 30 werden in ca. 5-6 Gruppen geteilt, auch an übergreifenden Themenstellungen) statt und, was für TheoPrax ein Alleinstellungsmerkmal ist, die Projekte erfolgen an Industrie- oder Forschungsthemen im Angebots-Auftrags-Verhältnis (Ernstcharakter). Die Bilder 3 bis 6 zeigen Ausschnitte von Szenen aus Projekten mit Hauptschülern (flash over box für Feuerwehr Berghausen, Bild 3, sowie Restaurierung eines Traktor-Anhängers, Bild 4), Technik-Schülern in Salvador Bahia, Brasilien (Förderanlage, Bild 5) und dem Melanchthon-Gymnasium Klasse 8a (begrüntes Flachdach, Bild 6). Die eigenen Erfahrungen mit bisher ca. 300 ähnlichen Schulprojekten (mit Hochschulprojekten sind es über 500), integriert in den Unterricht an Schulen (mehrheitlich Gymnasien) belegen, dass Motivation und Lerneffizienz bei Mehrarbeit durch die betreuenden LehrerInnen steigen. Bild 3: Hauptschüler bauen und erproben eine flash over box Bild 4: Hauptschüler restaurieren ein en verrosteten Traktor-Anhänger 2. Ausgangslage Schule und Forschung In den vergangenen 15 Jahren haben sich die Lehrplan-Rahmenbedingungen in vielen Bundesländern für die Integration von Projektarbeit verbessert. Stichworte dazu sind: Praxisbezug im Unterricht Projektorientierte Unterrichtseinheiten Einbeziehung von externen Partnern Fächerverbünde, z. B. NWT Klassenstufe 8 bis 10 (Baden-Württemberg), 4 Pflichtwochenstunden P-Seminar (30 von 900 Punkten) und W-Seminar (60 von 900 Punkten) in Bayern abiturrelevanter Seminarkurs (Baden- Württemberg) (60 von ca. 860 Punkten) geplant ab 2010: Projektarbeit als Pflicht in der Oberstufe in Nordrhein-Westfalen Projektfach in Schleswig-Holstein Seminarfach in Thüringen Bild 5: Techniker-Studenten präsentieren ihr Projekt, eine Kunststoffgranulat-Förderanlage, in Salvador, Brasilien Bild 6: Schüler am Melanchthon-Gymnasium in Bretten, Klasse 8a, experimentieren zum Thema begrüntes Flachdach

3 3 Beispiele für Themen von Projektarbeiten, an denen Schüler forschend an großen Projekten des Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in den vergangenen Jahren beteiligt waren sind (Auswahl): Bruchflächendarstellung von Sheet Molding Compound (ICT) Temperatur-Minimierung von Laserkühlgasen (Trumpf) Faserverbundwerkstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe - Materialentwicklung (BMBF) Keramisierende Elastomere (BMBF) Verbesserung des Wasser-Absorptionsverhaltens von Maisstärke Bild 8: Grundprinzip des Versuchsaufbaus bei Frieren von Wasser Aktuelles Beispiel seit knapp 2 Jahren ist elektrische Ladungstrennung an wandernden Phasenfronten bei der Gerinnung von Blut (ICT) Anhand dieses Forschungsthemas wird Forschendes Lernen im Folgenden vertieft und erläutert. 3. Einführung ins fachliche Thema Der Stand der Technik zum Thema Ladungstrennung an wandernden Phasenfronten ist u. a. von Peter Eyerer et al. ausführlich beschrieben [4-7]. Eckpunkte der Erfindungen des Effekts sind: Costa Ribeiro, Sao Paolo: Carnauba Wachs, ab 1944 Workman / Reynolds, USA: Wasser (Eis), 1950 Eyerer, Uni Stuttgart: Kunststoffe, 1969, 1985 Eyerer et al., Fraunhofer ICT: Blutgerinnung, 2007/2008 Bild 7 zeigt das Messprinzip, Bild 8 erläutert dieses Prinzip am Beispiel Frieren von Wasser. Bild 9 zeigt eine Versuchsanordnung um die Aushärtung von Epoxidharzsystemen zerstörungsfrei zu verfolgen [5]. Ein Ergebnis dazu zeigt Bild 10 am Beispiel ungesättigter Polyester. Durch unterschiedliche Beheizung der beiden Elektroden (Kleb- bzw. Aushärteflächen) kann die Richtung der Phasenfront fest-flüssig und die Potentialgröße beeinflusst werden. Bild 11 zeigt den analogen Vorgang beim Schmelzen von Polyamid-Folie (Wasserpeak bei 100 C, Schmelzpeak bei 220 C). Bild 9: Versuchsanordnung für elektrische Messungen während der Aushärtung für Epoxidharz-Systeme (Amid, Amin); 1 Epoxidharzsystem, 2 Elektroden, 3 Abstandshalter (Glimmer, Polyimid), 4 Schutzring; 5 O-Ring, 6 elektrischer Anschluss, 7 Isolierplatte (PTFE oder PF) durchströmt oder elektrisch beheizt, 8 Heizkammer Das Ziel aktueller Forschungen ist, zu prüfen, ob auch bei der Gerinnung von Blut Potentiale bzw. Ströme zu messen sind und damit der Gerinnungsprozess erfasst werden kann. Bild 7: Messprinzip des Effekts der Ladungstrennung Bild 10: Messergebnisse Kunststoffe; Vernetzungspotentiale von ungesättigtem Polyester UP mit 2 % Benzoylperoxid als Funktion der Zeit mit Differenztemperatur als Parameter, UP-Dicke 2 mm, wärmere Elektrode 70 C

4 4 5. Durchführung mit SchülerInnen Wiederum stichwortartig werden die Randbedingungen bisheriger Durchführungen aufgelistet: 2 lehrplanintegrierte, abiturrelevante Seminarkurse 2 außerschulische Freizeitkurse mit SchülerInnen der Klasse Science Academy Baden-Württemberg Gesamtanzahl der Schüler: 45 teilweise beteiligte Lehrer: 4 beteiligte Externe (Ärzte, Chemiker, Physiker): 5 Dauer der Versuche/Kurse: 2 x 12 Wochen, 2 x ein Schuljahr, 1 x Sommerferienkurs Abschluss: jeweils Abschlussbericht der einzelnen Gruppen, Abschlusspräsentation und Kolloquium Bild 11: Schmelzen von Thermoplasten (Eyerer, Elsner, Häberle 1983); Schmelzpotential beim Aufschmelzen von Polyamid 6 als Funktion der Zeit, Durchmesser 30 mm, Foliendicke 0,15 mm Hauptmessgerät (Bild 12) ist ein Elektrometer der Firma Keithley, das über einen PC-Ausgang die Messwerte speichert. Bei hochohmigen Dielektrika spielt die Abschirmung der Messkabel und Messvorrichtung samt Eingangswiderstand des Elektrometers eine entscheidende Rolle. 4. Fachübergreifendes forschendes Lernen mit SchülerInnen am Thema Ladungstrennung Zu der Fragestellung Lässt sich Ladungstrennung auch bei der Gerinnung von Blut nachweisen? sind folgende Fachbereiche zu integrieren: Physik (z. B. Strom, Spannung, Messtechnik, Widerstände, Ladungen, Abschirmung) Chemie (z. B. Elektrochemie, Kunststoffkunde, Vernetzung, Aushärtung) Biologie (z. B. Blut-Gerinnung, Gerinnungsabläufe, Blutplasma, Inhibierung) Mikrosystemtechnik (z. B. Elektroden- Anordnung, Messaufbau) Um für Schüler (und Lehrer) das komplexe Thema Ladungstrennung bei der Gerinnung von Blut gestaltbar zu machen, bedarf es neben dem erläuternden Wissen ein intensives Methodentraining: wissenschaftliches Arbeiten (Recherchieren, Versuchsplanung, Experimentieren, Dokumentation, Auswertung, Interpretation, Statistik) Projektmanagement (Recherchieren, Planung, Kommunikation, Teambildung, Kreativität, Konflikte, Controlling, Kosten. Präsentation, Bericht, Reflexion) [8] Bild 12: Messgerät zur Erfassung von Spannungen und Strömen Bei wässrigen Dielektrika kommt die Elektrochemie an den Elektroden als dominanter, meist überdeckender Einflussfaktor hinzu. Bei guter fachlicher Betreuung durch LehrerInnen und schulexterne WissenschaftlerInnen des Fraunhofer ICT ist es jedoch meist gelungen die Schüler kompetent auszurüsten. Bei mangelndem Interesse mancher weniger Schüler gelang dies nicht. Bild 13 und 14 zeigen zwei von etwa 10 verschieden Versuchsaufbauten während einer langen Optimierungsphase. Beides wird parallel zur experimentellen Arbeit in kleinen Schritten vermittelt und unmittelbar angewendet.

5 5 Bild 13: Vorversuche mit Wasser/Eis (Goldstift-Elektroden; Frierfront durch Kühlung mit flüssigem Stickstoff erzwungen) Bild 16: Nahaufnahme der Messzelle mit Goldelektrode eingetaucht in Blutplasma Bild 14: Vorversuche mit inhibitiertem Blutplasma aktivierbar mit CaCl 2 (Edelstahlelektroden/oben gelocht) in Petrischale 6. Fachliche Ergebnisse zur optimierten Messung der Ladungstrennung während der Gerinnung von Blutplasma Bild 15 zeigt den Messaufbau hierzu. Rechts im Bild die Elektrodenanordnung, die in Bild 16 vergrößert aufgenommen ist. Messkabel führen zum Elektrometer und von dort zum Laptop. Die Raumtemperatur wird ebenfalls über Elektrometer (2 Kanäle) und Laptop mitgeschrieben. Bei den Elektroden handelt es sich um in der Elektrochemie übliche, auf Glasplättchen aufgedampfte, Goldschichten, die über Kontakte im Messkopf die Verbindung zu den Kabeln herstellen. Als Gefäß wird eine 10 mm quadratische Glasküvette verwendet, wie sie in der Spektroskopie Stand der Technik ist. Nach Einfüllen des inhibitierten Blutplasmas (hergestellt vom Labor Seelig, Karlsruhe) wird der Messkopf auf die Küvette aufgesetzt. Die Mess- Ausgangssituation kann über Elektrometer erfasst werden; Anfangsstörungen können abklingen. Durch ein 1 mm Loch im Messkopf wird dann mittels Minipipette Calciumchlorid (CaCl 2 ) bei laufender Messanordnung sehr langsam zudosiert. Ab diesem Zeitpunkt beginnt der Gerinnungsprozess. Über eine aufgeklebte Millimeter-Skala kann mittels Lupe die Wanderung der Gerinnungsfront analog parallel neben der elektrischen Messung in der selben Küvette erfasst werden. Bild 17 zeigt ein Messergebnis. Im unteren Bildteil kann belegt werden, dass bei identischem Messaufbau in Ringerlösung mit CaCl 2 -Zudosierung keine elektrische Ladungstrennung erfolgt, während bei Verwendung von Blutplasma eine Gerinnungsfront elektrisch zu beobachten ist. Eine Korrelation mit der optisch sichtbar wandernden Phasenfront deutet sich an, wenngleich die Zusammenhänge noch lange nicht detailliert erklärbar sind. Bild 17: Oben: inhibitiertes Blutplasma, initiiert mit Calciumchlorid CaCl 2 ; unten: Strommessung mit Goldelektroden und Ringerlösung, CaCl 2 -Zugabe Bild 15: Messaufbau Ladungstrennung bei der Gerinnung von Blutplasma Bild 18 zeigt im Foto die zurückgelegt Frontwanderung. Nach 22 Stunden ist der Gerinnungsbereich (Trübung) ca. 6 mm breit. Aufgrund der geringeren Dichte des CaCl 2 gegenüber dem Blutplasma

6 6 schwimmt dies oben. Der Gerinnungsprozess erfolgt durch Permeation der CaCl 2 -Moleküle durch das Blutplasma in Richtung der Gravitation bzw. des Konzentrationsgefälles. Dadurch wird günstigerweise eine wandernde Phasenfront provoziert, an deren Grenzfläche Ladungstrennung erfolgt, die das Elektrometer über der Zeit als Potentialunterschied (Spannungsmessung) bzw. als Stromfluss (Strommessung) aufzeichnet. Fachlich: fachübergreifende Sichtweisen mit der Chance zu breitem und tiefem Wissen Praktisch: in-vivo Verfolgung von Blutgerinnsel um Stents und Bypässe. Insbesondere die zuletzt genannte Anwendung mutet derzeit fast als Utopie an. Doch mit dem kreativen unvoreingenommenen Engagement vieler Schüler (vor allem, wenn sie motiviert sind) und mit der Forschungserfahrung bei Fraunhofer könnte die Utopie zur Vision und damit zu einem zweifellos schwersterreichbaren, aber immerhin zu einem Ziel werden. 8. Unsere Überzeugung Man wird im allgemeinen durch die Gründe, die man selbst gefunden hat, besser überzeugt als durch die, welche im Geiste anderer entstanden sind. (Blaise Pascal, ) Bild 18: Gerinnungsfront bei Blutplasma wanderte zwischen den Pfeilen Die Bilder 21 und 22 zeigen zwei der im Projekt teilnehmenden Schülergruppen. In nächster Zukunft wird in derselben Glaskuvette in Lichttransmission noch eine in-line-spektroskopie erfolgen, Bild 19. Damit lassen sich Strom I, optische Wegmessung und NIR-Spektroskopie gleichzeitig an derselben Probe erfassen. Damit erhalten wir Einblicke in molekulare Zusammenhänge. Elektrische Vorgänge, die bisher physikalisch praktisch nicht verstanden wurden, sind dann (hoffentlich) besser interpretierbar. Bild 20 Bild 19: Gleichzeitige Erfassung vom Gerinnungsstrom I G, NIR-Spektroskopie und miskroskopischer Gerinnungsfrontwanderung in einer Glasküvette 7. Ausblick und Vision Pädagogisch: Schüler lernen motivierter und effizienter Didaktisch: Lehrer hat andere und mehr Arbeit Methodisch: beide Gruppen erarbeiten sich forscherisches und anwendungsorientiertes Problemlösungsverhalten Unser Dank Bild 21 Unser Dank geht an die Mitarbeiter und Chefs, Prof. Dr. H.P. Seelig und Dr. Josef Schurek, des Labors Seelig in Karlsruhe für die mehrfache Aufbereitung von Blutplasma-Chargen. Dr. Holger Lawall sowie

7 7 die Ärzte Dr. Matthias Keil, Dr. Zöller und Dr. Martin Scherer haben uns mit Rat und Tat (Blutabnahme) begleitet. Zu großem Dank sind wir allen an den Seminarkursen und Ferienkursen beteiligten SchülerInnen verpflichtet. weiter Danken wir der Leitung des Fraunhofer ICT, Herrn Prof. Dr.-Ing. Peter Elsner, Dr. Horst Krause und den Mitarbeitern Jürgen Antes, Peter Rabenecker, Dr. Jens Tübke und Dr. Karsten Pinkwart für viele wertvolle fachliche und organisatorische Hilfestellungen. Mitarbeiter der Fraunhofer ICT Werkstatt unter der Leitung von Thomas Westphal und Nils Hiemann haben uns bereitwillig und kompetent geholfen. Vielen Dank dafür. Unser großer Dank geht auch an Alexandra Wolf für professionelle Darstellungen jeglicher Art. Literatur [1] Pfenning, U.; Renn, O.: Berufserfahrungen von Ingenieuren. Kurzbericht zu den Ergebnissen der Umfrage. Stuttgart: Akademie für Technikfolgenabschätzung in Baden-Württemberg, Oktober 2001 [2] Eyerer, P.; Krause, D.: Methoden-Mix erhöht die Lehr-Lern-Effektivität und deren Effizienz. Neues Handbuch Hochschullehre Nr. 36, Raabe Verlag, März 2009 [3] Pilotprojekt NWT in Baden-Württemberg am Melanchthon-Gymnasium Bretten, seit 7/2008, läuft bis 19/2010 [4] Eyerer, P.: Eine zerstörungsfreie elektrische Prüfmethode zur Überwachung von Aushärtevorgängen an Duromeren. Dissertation, Universität Stuttgart, 1971 [5] Eyerer, P.: Elektrische Ladungstrennung während der Vernetzung von Duromeren (Costa Ribeiro Effekt). J. Applied Polymer Science 16 (1972) 10, S Eyerer, P.: Neue zerstörungsfreie elektrische Prüfmethode zur Überwachung von Aushärtevorgängen an Duromeren. Gummi, Asbest, Kunststoffe 25 (1972) 12, S ; 26 (1973) 1, S Eyerer, P.: Ladungstrennung bei der Aushärtung von Kunststoffen. Umschau 72 (1972) 19, S [6] Elsner, P.; Eyerer, P.: Elektrische Verfahren zum Erfassen von Permeations- und Diffusionsvorgängen in Polymeren. Kunststoffe 77 (1987) 1, S [7] Eyerer, P.; Elsner, P.; Krause, D.; Eyerer, S.: Elektrische Ladungstrennung bei wandernden Phasenfronten in Polymeren. 13th International Conference Polymeric Materials P2008, September, Martin-Luther Universität Halle-Wittenberg, Halle/Saale [8] Krause, D.; Eyerer, P.: Schulprojekte managen TheoPrax Methodik in Aus- und Weiterbildung. W. Bertelsmann Verlag, Bielefeld, Dezember 2007, ISBN