TY - THES A1 - Schmitt, Stefanie T1 - Biomechanisch begründeter Rehabilitationsansatz bei verschiedenen Krankheitsbildern des Handgelenks in der orthopädischen Praxis : eine prospektive Studie T1 - Trial of Biomechanical Rehabilitation of Patients with wrist pain N2 - Handgelenkserkrankungen haben sowohl in Amerika wie auch in Europa mit steigenden Fallzahlen einen durch den Ausfall der Arbeitskraft nicht unerheblichen Einfluß auf die Volkswirtschaft. Ständige Wiederholungen in hoher Frequenz werden für die RSI ursächlich verantwortlich gemacht. Basierend auf der Annahme, dass Vibrationen und Beschleunigungskräften mittels Dämpfkörpern beeinflusst werden können, wurde die Coopercare Lastrap-Bandage entwickelt. Obwohl die Behandlung mit Handgelenksorthesen eine allgemein gängige Form der Behandlung von verschiedenen Handgelenkserkrankungen darstellt, gibt es hierzu nur sehr wenige klinische Daten über den Stellenwert dieser Verfahren. Daher wurde in einer prospektiven randomisierten Längsschnitt-Studie der Stellenwert einer Bandagenbehandlung mit biomechanisch begründetem Ansatz im Vergleich zur konventionellen Bandagentherapie an 34 Patienten mit unterschiedlichen Erkrankungen des Handgelenks getestet. Unserer Studie zufolge sind entsprechend dem biomechanischen Ansatz die unter 40-jährigen männlichen Patienten mit seit kurzem bestehender Tendovaginitis die Zielgruppe, die am Besten von einer Bandagentherapie mit der Lastrap®-Bandage profitieren. Bei unter 40-jährigen männlichen Patienten mit Distorsion des Handgelenks ist die Manu-Hit®-Bandage zu bevorzugen. Durch die deutliche Schmerzreduktion können hier Handgelenksorthesen unter anderem den Gebrauch von NSAR verringern und damit die Arzneimittelausgaben senken. N2 - In America and Europe disorders of the wrist have more and more influence on economy with increasing numbers and therefore loss of manpower. Repetitions with high frequent movements are cause of RSI. Based on biomechanical analysis, which showed that vibrations and acceleration forces can be influenced by vibration compensators, the Lastrap®-Ortheses by Coopercare was developed. Even though therapy with wrist-orthoses is a common way to treat wrist disorders, there are only few clinical data about its efficiency. In this study we did a prospective randomized trial about the significance of a biomechanically founded principle of wrist orthoses vs a commonly used wrist orthoses by treating several wrist disorders. As a result of our study male patients under 40 years old with tendovaginitis of the wrist have the best benefit by using the Lastrap®-Ortheses by Coopercare. Same group of patients with traumatic wrist pain have the best results by using the Manu-Hit®-Orthoses of Sporaltic. By pain reduction treatment with wrist extensor orthoses gives also the possibility of reduction of NSAR and for this reason helps reducing pharmaceutical costs. KW - Handgelenkserkrankungen KW - Bandage KW - Biomechanik KW - Klinische Studie KW - Verlauf KW - wrist pain KW - orthesis KW - biomechanics KW - clinical study KW - prospective Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-20460 ER - TY - JOUR A1 - Hettich, Georg A1 - Schierjott, Ronja A. A1 - Epple, Matthias A1 - Gbureck, Uwe A1 - Heinemann, Sascha A1 - Mozaffari-Jovein, Hadi A1 - Grupp, Thomas M. T1 - Calcium phosphate bone graft substitutes with high mechanical load capacity and high degree of interconnecting porosity JF - Materials N2 - Bone graft substitutes in orthopedic applications have to fulfill various demanding requirements. Most calcium phosphate (CaP) bone graft substitutes are highly porous to achieve bone regeneration, but typically lack mechanical stability. This study presents a novel approach, in which a scaffold structure with appropriate properties for bone regeneration emerges from the space between specifically shaped granules. The granule types were tetrapods (TEPO) and pyramids (PYRA), which were compared to porous CaP granules (CALC) and morselized bone chips (BC). Bulk materials of the granules were mechanically loaded with a peak pressure of 4 MP; i.e., comparable to the load occurring behind an acetabular cup. Mechanical loading reduced the volume of CALC and BC considerably (89% and 85%, respectively), indicating a collapse of the macroporous structure. Volumes of TEPO and PYRA remained almost constant (94% and 98%, respectively). After loading, the porosity was highest for BC (46%), lowest for CALC (25%) and comparable for TEPO and PYRA (37%). The pore spaces of TEPO and PYRA were highly interconnected in a way that a virtual object with a diameter of 150 µm could access 34% of the TEPO volume and 36% of the PYRA volume. This study shows that a bulk of dense CaP granules in form of tetrapods and pyramids can create a scaffold structure with load capacities suitable for the regeneration of an acetabular bone defect KW - calcium phosphate KW - granules KW - biomechanics KW - bone graft substitutes Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-193233 SN - 1996-1944 VL - 12 IS - 21 ER - TY - JOUR A1 - Ochman, S. A1 - Vordemvenne, T. A1 - Paletta, J. A1 - Raschke, M. J. A1 - Meffert, R. H. A1 - Doht, S. T1 - Experimental Fracture Model versus Osteotomy Model in Metacarpal Bone Plate Fixation JF - The Scientific World Journal N2 - Introduction Osteotomy or fracture models can be used to evaluate mechanical properties of fixation techniques of the hand skeleton in vitro. Although many studies make use of osteotomy models, fracture models simulate the clinical situation more realistically. This study investigates monocortical and bicortical plate fixation on metacarpal bones considering both aforementioned models to decide which method is best suited to test fixation techniques. Methods Porcine metacarpal bones (n =40) were randomized into 4 groups. In groups I and II bones were fractured with a modified 3-point bending test. The intact bones represented a further control group to which the other groups after fixation were compared. In groups III and IV a standard osteotomy was carried out. Bones were fixated with plates monocortically (group I, III) and bicortically (group II, IV) and tested for failure. Results Bones fractured at a mean maximum load of 482.8N±104.8N with a relative standard deviation (RSD) of 21.7%, mean stiffness was 122.3±35 N/mm. In the fracture model, there was a significant difference (P = 0.01) for maximum load of monocortically and bicortically fixed bones in contrast to the osteotomy model (P = 0.9). Discussion. In the fracture model, because one can use the same bone for both measurements in the intact state and the bone-plate construct states, the impact of inter-individual differences is reduced. In contrast to the osteotomy model there are differences between monocortical and bicortical fixations in the fracture model. Thus simulation of the in vivo situation is better and seems to be suitable for the evaluation of mechanical properties of fixation techniques on metacarpals KW - biomechanics KW - fracture model KW - metacarpal KW - osteotomy KW - plate fixation Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-178840 N1 - http://dx.doi.org/10.1100/2011/465371 VL - 11 ER - TY - THES A1 - Endlein, Thomas T1 - Haftung und Fortbewegung: Kontrollmechanismen von Adhäsionskräften bei Ameisen T1 - Locomotion and Adhesion: Control Mechanisms of Attachment in Ants N2 - Natürliche Haftsysteme übertreffen technische Kleber in mehreren Aspekten: Sie haften auf nahezu allen Oberflächen, sind selbstreinigend und sind in ihrer Haftstärke dynamisch kontrollierbar. Für Tiere mit Haftorganen ist deren Kontrolle eine Grundvoraussetzung für effiziente Lokomotion. Wie können Tiere gut an Oberflächen haften und gleichzeitig schnell laufen? Wie werden Haftorgane kontrolliert, um auf rauen oder glatten Oberflächen senkrecht oder kopfüber zu haften und wieder loszulassen? Die vorliegende Arbeit untersucht am Beispiel vonWeberameisen (Oecophylla smaragdina), welche Kontrollmechanismen Insekten verwenden, um den Konflikt zwischen Haftung und Fortbewegung zu bewältigen. Weberameisen besitzen an ihren Füßen zwischen den Krallen ein entfaltbares Haftorgan (Arolium), welches im Vergleich zu anderen Hymenopteren stark vergrößert ist. Ihre enormen Haftkräfte (mehr als das 100-fache ihres Körpergewichtes) werden hauptsächlich eingesetzt, um Blätter für ihren Nestbau in den Baumkronen zusammenzuziehen. Sie sind Meister der Haftung und gute Läufer zugleich und eigneten sich daher sehr gut als Modellsystem. In der Arbeit wurde dieWechselwirkung von Haftung und Bewegung auf mehreren hierarchischen Ebenen untersucht, vom gesamten Körper über die Beine bis zum Haftorgan selbst. Es zeigte sich, dass Kontrollmechanismen auf allen drei Ebenen vorliegen. Im ersten Teil der Arbeit wurde durch Manipulationen an der Krallenziehersehne die komplexe innere Mechanik des Prätarsus aufgeklärt. Es zeigte sich, dass die Bewegungen von Tarsus, Krallen und Arolium in einer koordinierten Reihenfolge erfolgten. Durch Amputationen der Krallenspitzen an lebenden Ameisen konnte bestätigt werden, dass die Entfaltung des Aroliums durch das Verhaken der Krallen auf rauen Oberflächen mechanisch eingeschränkt wird. Der Einsatz des Aroliums war auch abhängig von der Oberflächenorientierung. Weberameisen setzten ihr Haftorgan beim aufrechten Laufen überhaupt nicht ein, beim Kopfüberlaufen auf glatten Oberflächen wurde dagegen nur ein Bruchteil der maximal möglichen Haftkontaktfläche entfaltet. Die Versuche zeigten, dass Ameisen die Entfaltung des Aroliums entweder aktiv, d. h. durch Kontraktion des Krallenziehermuskels, oder passiv durch Zugbewegungen des Tarsus graduell variieren. Beide Mechanismen werden von den Ameisen verwendet, um die ansonsten klein gehaltene Haftkontaktfläche bei Bedarf (z. B. bei Zusatzbeladungen) zu vergrößern. Die passive Entfaltung ist von der neuromuskulären Kontrolle entkoppelt und unterliegt somit nicht den Zeitverzögerungen von Reflexreaktionen. Durch plötzliche laterale Verschiebung der Laufoberfläche durch einen Stoß konnte eine schlagartige Ausfaltung der Arolien ausgelöst werden, die wesentlich schneller ablief als alle bekannten Reflexreaktionen. Dies kann als Sicherheitsmechanismus interpretiert werden, womit sich die Ameisen bei starken Erschütterungen der natürlichen Laufsubstrate (Blätter) durchWindstöße oder Regentropfen festhalten können. Sowohl Kraftmessungen an der Krallenziehersehne, welche die Kontraktion des Krallenziehermuskels nachahmten als auch Reibungskraftmessungen zur passiven Entfaltung des Aroliums zeigten, dassWeberameisen im Vergleich zu einer bodenlebenden Ameise ihre Haftorgane leichter entfalten konnten. Dies erleichtert es ihnen, ihre Haftorgane über lange Zeit im entfalteten Zustand zu halten, wie es beispielsweise beim Nestbau erforderlich ist. Mit Hilfe von dreidimensionalen Kinematikstudien konnte gezeigt werden, dass Weberameisen durch Änderungen des Beinwinkels zur Oberfläche das Schälverhalten der Haftorgane beeinflussen. Ein flacherer Winkel verhinderte das Abschälen der Haftorgane während der Standphase oder beim Tragen von Zusatzlasten; ein steilerer Tarsus hingegen erleichterte das Abschälen während der Ablösephase. Dieses Verhalten wurde mit dem Modell eines Klebebandes verglichen. Allerdings veränderten sich die Haftkräfte in einem bestimmten Winkelbereich deutlich stärker, als die Schältheorie es vorhersagen würde. Die starken Unterschiede in der Haftkraft an dieser Schwelle sind jedoch biologisch sinnvoll und werden wahrscheinlich von den Ameisen verwendet, um schnell zwischen Haften und Lösen zu wechseln. Messungen der Bodenreaktionskräfte zeigten einen weiteren Ablösemechanismus: Während der Ablösephase wird durch distales Schieben des Beines das Haftorgan entlastet und so eine passive Rückfaltung des Aroliums erlaubt. Beide Ablösemechanismen (Schälen und Entlasten) wurden für einzelne Beinpaare im unterschiedlichen Ausmaß von den Ameisen verwendet. Eine Umorientierung zur Schwerkraftrichtung, z. B. beim Kopfüberlaufen, hatte auch Einfluss auf das Laufmuster und die Beinstellung relativ zum Körperschwerpunkt. Die Ameisen passten beim Kopfx überlaufen ihren Gang so an, dass sie mehrere Beine gleichzeitig in Bodenkontakt hielten und langsamere und kürzere Schritte machten. Entstandene Drehmomente beim Tragen von Zusatzlasten wurden durch gezielte Änderungen der Beinpositionen ausgeglichen. Meine Arbeit zeigt, dass Insekten die Oberflächenhaftung auf verschiedenen hierarchischen Ebenen mit Hilfe verschiedener Anpassungen kontrollieren und dabei elegant neuromuskuläre Steuerungen mit rein passiven Mechanismen vereinigen. Die hier für Weberameisen exemplarisch untersuchten Effekte sind von allgemeiner Bedeutung für alle Tiere, die sich mit Hilfe von Haftorganen fortbewegen. Ein Verständnis der Mechanismen, mit denen Insekten Haftung dynamisch kontrollieren, könnte wichtige Anregungen für die Entwicklung von kletterfähigen Laufrobotern liefern. N2 - Natural adhesive pads outperform technical adhesives in many aspects: they can stick to almost every surface, they have self-cleaning capabilities and are highly dynamic and versatile in their adhesive strength. Animals walking with adhesive pads have to vary their adhesion with each step in order to adhere safely yet have to detach their feet quickly and effortlessly. How can these animals control their attachment whilst walking upright or upside down, on different surface roughnesses or when carrying additional loads? Weaver ants (Oecophylla smaragdina) have foldable adhesive pads (arolia) at the tip of their feet, which are relatively large compared to other Hymenoptera. They use their pads to adhere to slippery leaf surfaces when they construct their nests in the tree canopy. Since these ants are both good runners and are capable of generating adhesive forces of more than 100 times their own body weight, they form a good model to study the conflict between locomotion and adhesion. In my thesis I have focused on the control mechanisms of adhesion at several hierarchical levels, from body kinematics to leg posture to the mechanics of the adhesive pad itself. In the first part of my studies, manipulation experiments on the claw flexor tendon revealed the complex inner mechanics of the pretarsus. A pull on the tendon elicited a coordinated sequence of movements where the arolium moved after the flexion of the claws. When ants run on rough surfaces the contraction of the muscle is stopped mechanically by the interlocking of the claws and prevents the unfolding of the arolium. Claw amputation experiments on walking ants confirmed that the mechanical control of the arolium depended on surface roughness. The unfolding of the arolium also varied with the load acting on the ants. When ants walked upright their pads were never engaged. When they walked in an upside down manner they used only a fraction of their possible contact area and increased their pad contact area when they carried additional loads. Ants adapted the pad contact size acitvely by a contraction of the claw flexor muscle and/or passively by a proximal pull on the leg. The passive unfolding mechanism of the pads is decoupled from a neuronal control and therefore can be very fast. In experiments where the substrate were displaced rapidly it caused a sudden unfolding of the arolium. The arboreal Weaver ants may use this as a safety mechanism to cling onto the leaves when heavy raindrops or wind gusts shake the substrate. Despite the large size of the arolium in Weaver ants, both the active and passive unfolding required less force than the measured for the smaller pads of a ground living species. The economical unfolding might help the ants to keep the pads unfolded over longer periods, for instance when they keep prey insects down, carry them or when they hold leaves in place for their nest contruction. Kinematic studies revealed that movements of the legs can influence the attachment and detachment of the pads in normal walking and when they carried loads. Ants prevented peeling of their pads by reducing the angle of the tarsus to the surface. Like peeling off an adhesive tape, the pull-off forces depend on the angle of pulling. However, experiments showed that ants quickly detach from a surface when the angle of their tarsus reaches an upper range of angles. By varying the tarsus angle slightly, ants may switch easily between attachment and detachment. Recording of ground reaction forces revealed another detachment mechanism. Walking ants unloaded their feet by distally pushing the leg in order to allow a passive recoil of the tarsus and the self-elastic arolium. Both mechanisms (peeling and unloading) were used in the three leg pairs to a different extend. Running upside down also changed the walking pattern. Ants kept more feet in simultaneous surface contact and walked more slowly. When ants carried loads upside down they compensated for tipping moments of the body, by varying the footfall positions. In summary,Weaver ants can control their attachment on different hierarchical levels and combine neuronal and passive mechanisms in an elegant way. The results shown here forWeaver ants are exemplary for all animals walking with adhesive pads and may provide insights for equipping climbing robots with artificial pads. KW - Ameisen KW - Laufen KW - Haftung KW - Biomechanik KW - Kontrolle KW - Adhäsion KW - Kontrollmechanismen KW - Biomechanik KW - Weberameisen KW - Oecophylla smaragdina KW - Adhesion KW - controll mechanism KW - biomechanics KW - weaver ants Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-28985 ER - TY - THES A1 - Drechsler, Patrick Hans T1 - Mechanics of adhesion and friction in stick insects and tree frogs T1 - Mechanik der Adhäsion und Reibung von Stabheuschrecken und Baumfröschen N2 - Many arthropods and vertebrates can cling to surfaces using adhesive pads on their legs. These pads are either smooth and characterised by a specialised, soft cuticle or they are hairy, i.e. densely covered with flexible adhesive setae. Animals climbing with adhesive organs are able to control attachment and detachment dynamically while running. The detailed mechanisms of how tarsal pads generate adhesive and frictional forces and how forces are controlled during locomotion are still largely unclear. The aim of this study was to clarify the attachment mechanism of smooth adhesive pads as present in many insects and tree frogs. To understand the function of these fluid-based adhesive systems, I characterized their performance under standardized conditions. To this end, experiments were conducted by simultaneously measuring adhesion, friction, and contact area in single adhesive pads. The first result of this study showed that friction in stick insect attachment pads is anisotropic: Attachment pads regularly detached when slid away from the body. Further analyses of "immobilized" arolia revealed that this anisotropy is not caused by an increased shear stress in the proximal direction, but by the instability of the tarsus when pushed distally. In the second part of this study, I analysed the role of the pad secretion present in insects and tree frogs. In stick insects, shear stress was largely independent of normal force and increased with velocity, seemingly consistent with the viscosity effect of a continuous fluid film. However, measurements of the remaining force two minutes after a sliding movement showed that adhesive pads could sustain considerable static friction in insects and tree frogs. Repeated sliding movements and multiple consecutive pull-offs of stick insect single legs to deplete adhesive secretion showed that on a smooth surface, friction and adhesion strongly increased with decreasing amount of fluid in insects. In contrast, stick insect pull-off forces significantly decreased on a rough substrate. Thus, the secretion does not generally increase attachment but does so only on rough substrates, where it helps to maximize contact area. When slides with stick insect arolia were repeated at one position so that secretion could accumulate, sliding shear stress decreased but static friction remained clearly present. This suggests that static friction in stick insects, which is biologically important to prevent sliding, is based on non-Newtonian properties of the adhesive emulsion rather than on a direct contact between the cuticle and the substrate. % Analogous measurements in toe pads of tree frogs showed that they are also able to generate static friction, even though their pads are wetted by mucus. In contrast to the mechanism proposed for insects, static friction in tree frogs apparently results from the very close contact of toe pads to the substrate and boundary lubrication. In the last section of this study, I investigated adhesive forces and the mode of detachment by performing pull-off measurements at different velocities and preloads. These experiments showed that preload has only an increasing effect on adhesion for faster pull-offs. This can be explained by the viscoelastic material properties of the stick insect arolium, which introduce a strong rate-dependence of detachment. During fast pull-offs, forces can spread over the complete area of contact, leading to forces scaling with area. In contrast, the pad material has sufficient time to withdraw elastically and peel during slow detachments. Under these conditions the adhesive force will concentrate on the circumference of the contact area, therefore scaling with a length, supporting models such as the peeling theory. The scaling of single-pad forces supported these conclusions, but large variation between pads of different stick insects did not allow statistically significant conclusions. In contrast, when detachment forces were quantified for whole insects using a centrifuge, forces scaled with pad contact area and not with length. N2 - Viele Arthropoden und Vertebraten können sich mit Hilfe tarsaler Haftorgane an Oberflächen festhalten. Diese Organe sind entweder glatt, mit einer spezialisierten, weichen Cuticula oder haarig, d.h. dicht besetzt mit mikroskopisch kleinen, biegsamen Hafthaaren. Mit Haftorganen kletternde Tiere können während des Laufens Haftkräfte dynamisch kontrollieren. Die genaueren Mechanismen, mit denen Adhäsions- und Reibungskräfte erzeugt werden und mit denen die Kräfte während des Laufens schnell kontrolliert werden können, sind allerdings noch immer weitgehend unklar. Das Ziel dieser Arbeit war es, den Haftmechanismus von glatten Haftorganen bei Insekten und Baumfröschen näher aufzuklären. Um die Funktion dieser flüssigkeitsbasierten Haftsysteme zu verstehen, charakterisierte ich ihr Adhäsions- und Reibungsverhalten unter standardisierten Bedingungen. Dazu führte ich Experimente an einzelnen Haftorganen durch, bei denen ich gleichzeitig Adhäsion, Reibung, und Kontaktfläche erfasste. Das erste Ergebnis dieser Arbeit war, dass die Reibung von Insektenhaftorganen von der Bewegungsrichtung abhängt. Ein Haftorgan, das vom Körper weg bewegt wird (distale Richtung), löst sich meist von der Oberfläche ab. Weitere Untersuchungen an Haftorganen bei fixiertem Tarsus zeigten, dass die Richtungsabhängigkeit nicht durch eine erhöhte Scherspannung in der proximalen Richtung hervorgerufen wird, sondern durch die Instabilität des Tarsus, wenn der Fuß vom Körper weg bewegt wird. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchte ich die Rolle des Haftsekrets bei Stabheuschrecken und Baumfröschen. Bei Stabheuschrecken war die Scherspannung unabhängig von der Normalkraft und nahm mit der Bewegungsgeschwindigkeit zu, scheinbar in Einklang mit der viskosen Reibung eines durchgehenden Flüssigkeitsfilms. Jedoch ergaben Scherspannungsmessungen bei Stabheuschrecken und Fröschen selbst zwei Minuten nach einer Gleitbewegung ein beträchtliches Maß an statischer "Rest"-Reibung. Um den Einfluss geringer werdender Haftflüssigkeit zu untersuchen, wurden wiederholte Gleitversuche sowie aufeinanderfolgende Ablöseversuche auf glatten Oberflächen durchgeführt. Diese Experimente zeigten, dass sowohl die Reibungs- als auch die Adhäsionskraft mit abnehmender Flüssigkeitsmenge anstieg. Im Gegensatz hierzu nahm die Adhäsionskraft auf rauen Oberflächen mit abnehmender Haftflüssigkeitsmenge ab. Demzufolge führte die Haftflüssigkeit nur auf rauen Oberflächen zu einer Vergrößerung der Kontaktfläche und zu einer Erhöhung der Adhäsionskraft. Reibungskräfte auf glatten Oberflächen wurden bei Stabheuschrecken umso geringer, je häufiger Reibungsversuche an ein und der selben Stelle durchgeführt wurden (um die Menge an Haftflüssigkeit zu erhöhen). Dennoch blieb immer eine statische Reibung vorhanden. Das Vorhandensein von statischer Reibung ist biologisch wichtig um das unfreiwillige Ausrutschen zu verhindern. Meine Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Haftreibung bei Insekten nicht auf direkte Kontakte zwischen Cuticula und Untergrund zurückzuführen ist, sondern auf die (scherverdünnende) nicht-Newtonschen Eigenschaften des zweiphasigen Haftsekrets. Analoge Messungen an Haftzehen von Baumfröschen zeigten, dass auch diese statische Reibungskräfte erzeugen können, obwohl sie von einem flüssigen Schleim benetzt sind. Im Gegensatz zu dem bei Insekten gefundenen Mechanismus, entsteht bei Fröschen die statische Reibung wahrscheinlich durch Trockenreibung und den sehr nahen Kontakt zur Oberfläche. Im letzten Teil dieser Arbeit untersuchte ich Adhäsionskräfte und den Ablösevorgang durch Haftkraftmessungen bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Normalkräften. Diese Experimente zeigten, dass die Normalkraft nur bei schnellem Ablösen zu höheren Adhäsionskräften führt. Dies ist durch die viskoelastischen Materialeigenschaften der Stabheuschrecken-Arolien erklärbar, die zu einer starken Geschwindigkeitsabhängigkeit des Ablösevorgangs führen. Bei schnellem Ablösen breiten sich die Kräfte über die gesamte Kontaktzone aus, was zu einer Flächenskalierung der Adhäsion führt. Im Gegensatz dazu hat das Haftorgan bei einem langsamen Ablöseprozess genügend Zeit, sich elastisch zurückzuziehen und abzuschälen. Unter diesen Bedingungen konzentriert sich die Kraft am Rand der Kontaktzone, wodurch die Adhäsionskräfte mit einer Länge skalieren, wie z.B. von der "peeling" Theorie vorhergesagt. Die Skalierung von Einzelbein-Haftkräften bestätigte diese Schlußfolgerungen, aber die starke Variation zwischen verschiedenen Stabheuschrecken erlaubte es nicht, diese statistisch abzusichern. Im Gegensatz dazu zeigten die Haftkräfte ganzer Insekten, welche mit Hilfe einer Zentrifuge gemessen wurden, eine deutliche Flächenskalierung. KW - Biomechanik KW - Adhäsion KW - Flüssigkeitsreibung KW - Reibung KW - Frosch KW - Insekten KW - Carausius morosus KW - Haftung KW - Schubspannung KW - Emulsion KW - Schälen KW - Haftmechanismen KW - Haftorgane KW - Haftflüssigkeit KW - Litoria caerulea KW - Scherspannung KW - Wet adhesion model KW - biomechanics KW - adhesion KW - friction KW - attachment structure KW - adhesive fluid KW - wet adhesion KW - shear stress KW - emulsion KW - attachment devices KW - peeling Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-26836 ER - TY - THES A1 - Paul, Jürgen T1 - The Mouthparts of Ants T1 - Die Mundwerkzeuge der Ameisen N2 - Ant mandible movements cover a wide range of forces, velocities and precision. The key to the versatility of mandible functions is the mandible closer muscle. In ants, this muscle is generally composed of distinct muscle fiber types that differ in morphology and contractile properties. Volume proportions of the fiber types are species-specific and correlate with feeding habits. Two biomechanical models explain how the attachment angles are optimized with respect to force and velocity output and how filament-attached fibers help to generate the largest force output from the available head capsule volume. In general, the entire mandible closer muscle is controlled by 10-12 motor neurons, some of which exclusively supply specific muscle fiber groups. Simultaneous recordings of muscle activity and mandible movement reveal that fast movements require rapid contractions of fast muscle fibers. Slow and accurate movements result from the activation of slow muscle fibers. Forceful movements are generated by simultaneous co-activation of all muscle fiber types. For fine control, distinct fiber bundles can be activated independently of each other. Retrograde tracing shows that most dendritic arborizations of the different sets of motor neurons share the same neuropil in the suboesophageal ganglion. In addition, some motor neurons invade specific parts of the neuropil. The labiomaxillary complex of ants is essential for food intake. I investigated the anatomical design of the labiomaxillary complex in various ant species focusing on movement mechanisms. The protraction of the glossa is a non muscular movement. Upon relaxation of the glossa retractor muscles, the glossa protracts elastically. I compared the design of the labiomaxillary complex of ants with that of the honey bee, and suggest an elastic mechanism for glossa protraction in honey bees as well. Ants employ two different techniques for liquid food intake, in which the glossa works either as a passive duct (sucking), or as an up- and downwards moving shovel (licking). For collecting fluids at ad libitum food sources, workers of a given species always use only one of both techniques. The species-specific feeding technique depends on the existence of a well developed crop and on the resulting mode of transporting the fluid food. In order to evaluate the performance of collecting liquids during foraging, I measured fluid intake rates of four ant species adapted to different ecological niches. Fluid intake rate depends on sugar concentration and the associated fluid viscosity, on the species-specific feeding technique, and on the extent of specialization on collecting liquid food. Furthermore, I compared the four ant species in terms of glossa surface characteristics and relative volumes of the muscles that control licking and sucking. Both probably reflect adaptations to the species-specific ecological niche and determine the physiological performance of liquid feeding. Despite species-specific differences, single components of the whole system are closely adjusted to each other according to a general rule. N2 - Ameisenmandibeln führen eine Vielzahl verschiedener Bewegungen bezüglich Kraft, Geschwindigkeit und Präzision aus. Der Schlüssel zu dieser Vielfalt ist der Mandibelschließmuskel. In Ameisen besteht dieser Muskel aus verschiedenen Muskelfasertypen, die sich sowohl morphologisch als auch anhand ihrer kontraktilen Eigenschaften unterscheiden. Die Anteile der Fasertypen am Gesamtvolumen des Mandibelschließers sind artspezifisch und korrelieren mit der für die Art typischen Lebensweise. Zwei biomechanische Modelle erklären, wie die Angriffswinkel der Muskelfasern am Apodem im Hinblick auf Kraft und Geschwindigkeit optimiert werden und wie Filamentfasern dazu beitragen, aus dem vorhandenen Kopfkapselvolumen die größtmögliche Kraft zu entwickeln. Der gesamte Mandibelschließmuskel wird von 10-12 Motoneuronen gesteuert, wovon manche ausschließlich bestimmte Muskelfasergruppen innervieren. Gleichzeitige Aufnahmen von Muskelaktivität und Mandibelbewegung ergeben, daß schnelle Bewegungen rasche Kontraktionen schneller Muskelfasern bedürfen. Langsame und präzise Bewegungen resultieren aus der Aktivierung langsamer Muskelfasern. Kraftvolle Bewegungen werden durch gleichzeitige Aktivierung aller Muskelfasertypen erzeugt. Für die Feinabstimmung können unterschiedliche Muskelfaserbündel unabhängig voneinander aktiviert werden. Retrograde Färbungsexperimente zeigen, daß die meisten dendritischen Verästelungen der verschiedenen Motoneuronen im gleichen Neuropil im Unterschlundganglion verlaufen. Darüberhinaus dringen einige Motoneuronen in jeweils spezifische Bereiche des Neuropils ein. Der Labiomaxillar-Komplex ist für die Nahrungsaufnahme der Ameisen essentiell. Ich untersuchte den Bauplan und die Bewegungsmechanismen des Labiomaxillar-Komplexes bei verschiedenen Ameisenarten. Das Herausklappen der Glossa beruht auf einer nicht durch Muskelkontraktion hervorgerufenen Bewegung. Bei Relaxation der Glossa-Rückziehmuskeln klappt die Glossa infolge elastischer Eigenschaften aus. Ein Vergleich des Bauplans des Labiomaxillar-Komplexes von Ameisen mit dem der Honigbiene legt nahe, daß die Glossa der Honigbiene ebenfalls mittels Elastizität in die exponierte Position gebracht wird. Um flüssige Nahrung aufzunehmen, nutzen Ameisen ihre Glossa entweder als passiven Kanal (Saugen) oder als eine sich auf- und abwärts bewegende Schaufel (Lecken). Während des Sammelns von Flüssigkeiten an ad libitum Futterquellen bedienen sich Arbeiterinnen einer Art stets nur einer von beiden Aufnahmetechniken. Die jeweils artspezifische Nahrungsaufnahmetechnik hängt von dem Vorhandensein eines gut ausgeprägten Kropfes sowie der daraus resultierenden Weise des Nahrungstransportes ab. Um die Leistung der Aufnahme flüssiger Nahrung zu beurteilen, bestimmte ich die Aufnahmeraten vier verschiedener Ameisenarten, die an unterschiedliche ökologische Nischen angepaßt sind. Die Aufnahmerate hängt von der Zuckerkonzentration und der damit verbundenen Viskosität ab, außerdem von der artspezifischen Aufnahmetechnik und dem Grad der Anpassung an das Sammeln flüssiger Nahrung. Darüberhinaus verglich ich die vier Ameisenarten bezüglich der Charakteristika der Glossaoberfläche sowie der relativen Volumina der am Lecken und Saugen beteiligten Muskeln. Beide spiegeln wahrscheinlich Anpassungen an die artspezifische ökologische Nische wieder und bestimmen die physiologischen Leistungen der Aufnahme flüssiger Nahrung. Trotz artspezifischer Unterschiede sind die einzelnen Komponenten des Systems entsprechend einer allgemeineren Regel fein aufeinander abgestimmt. KW - Ameisen KW - Mundgliedmassen KW - Ameisen KW - Insekten KW - Mundwerkzeuge KW - Verhaltensphysiologie KW - Biomechanik KW - Funktionsmorphologie KW - Neurobiologie KW - Muskelfasertypen KW - ants KW - insects KW - mouthparts KW - behavioral physiology KW - biomechanics KW - functional morphology KW - neurobiology KW - muscle fiber types KW - foraging Y1 - 2001 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-1179130 ER - TY - THES A1 - Sauer, Alexander T1 - Vergleichende biomechanische Untersuchung einer winkelstabilen Konturenplatte zur Stabilisierung von Frakturen der distalen Fibula in einem Osteoporose simulierenden Knochenmodell T1 - Biomechanical evaluation of a contoured locking plate for distal fibular fractures in an artifical osteoporotic bone model N2 - Nach operativer Stabilisierung distaler Fibulafrakturen mit einem Standardimplantat wird bislang eine Teilbelastung der betroffenen Extremität empfohlen. Diese ist in der Nachbehandlung bei älteren Patienten mit eingeschränkten koordinativen Fähigkeiten und Begleiterkrankungen stark eingeschränkt. Gegenstand dieser Arbeit sind vergleichende biomechanische Untersuchungen einer winkelstabilen Konturenplatte, einer konventionellen Konturenplatte sowie der AO-Drittelrohrplatte. Entsprechende Experimente wurden in einem Osteoporose simulierenden Knochenmodell (Synbone, Generic bone, osteoporotic, 0080) durchgeführt. Hierbei wurde zum einen eine Torsionsgrenzkraftmessung und zum anderen eine zyklische Torsionstestung (4000 Zyklen mit 20% des maximalen Drehmomentes) durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass das Drehmoment bei Versagen ab einer Schraubenlänge von 16 mm sowie das maximale Drehmoment, welches zum Implantatversagen der winkelstabilen Konturenplatte führte ab einer Schraubenlängen von 14 mm stets größer war als dasjenige der konventionellen Konturenplatte. Ebenso zeigte sich eine Überlegenheit gegenüber der Drittelrohrplatte. Diese überlegenenen biomechanischen Eigenschaften, welche zusätzlich in einer weiterführenden experimentelle Arbeit mit humanen osteoporotischen Unterschenkelpräparaten bestätigt werden konnten, schaffen bessere Vorrausetzungen für eine funktionelle Nachbehandlung des älteren Patienten mit einer postoperativen Vollbelastung. Eine klinische Studie muss nun bestätigen, ob die verbesserten mechanischen Eigenschaften tatsächlich eine veränderte Nachbehandlung ermöglichen. N2 - Fixation of ankle fractures in elderly patients is associated with reduced stability conditioned by osteoporotic bone. Therefore, fixation with implants providing improved biomechanical features could allow a more functional treatment, diminish implant failure and avoid consequences of immobilization. In this study we evaluated a lateral conventional contoured plate with a locking contoured plate and a standard one-third tubular plate stabilising a distal fibular fracture in an artificial osteoporotic bone model (Synbone, Generic bone, osteoporotic, 0080). We performed a torque-to-failure and a cyclic testing (4000 cycles, 20% of maximal torque-to-failure). The locking plate showed a higher torque-to-failure and maximal torque compared to the conventional contoured plate and the standard one-third tubular plate. The fixation of distal fibular fractures in osteoporotic bone with the contoured locking plate may be advantageous as compared to the conventional plates. The locking plate with improved biomechanical attributes may allow a more functional treatment, reduce complications and consequences of immobilisation. A cadaver study confirmed our biomechanical results and further clinical studies will follow to evaluate the clinical benefits of the locking contoured plate. KW - Oberes Sprunggelenk KW - Sprunggelenksfrakturen KW - osteoporotischer Knochen KW - Lauge-Hansen KW - winkelstabile Konturenplatte KW - Biomechanik KW - ankle fractures KW - Lauge-Hansen KW - osteoporotic bone KW - contoured locking plate KW - biomechanics Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-66755 ER - TY - THES A1 - Theune, Michael T1 - Zusammenhänge zwischen kinetischen und kinematischen Parametern von Laufschuhen und dem subjektiven Tragekomfort T1 - Correlation between kinetic and kinematic parameters of running shoes and subjective comfort N2 - Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Zusammenhänge zwischen biomechanischen Parametern von Laufschuhen und dem subjektiven Tragekomfort zu ermitteln. Dazu wurden kinetische und kinematische Parameter von sogenannten Lieblingslaufschuhen mit denen zweier Referenz-Schuhmodelle verglichen und mit der individuellen plantaren Druckverteilung und der Fußform assoziiert. Die experimentellen Daten zeigen, daß die Bodenreaktionskräfte eines Schuhs von der Form des Leistens, den Materialeigenschaften der Zwischensohle und dem spezifischen Laufmuster des Läufers abhängen. Durch einen neurophysiologischen, muskelgesteuerten Dämpfungsmechanismus kommt es zu einer Anpassung des Laufstils an unterschiedliche Dämpfungs- und Stabilitätseigenschaften des Laufschuhs. Dadurch werden Belastungen für den aktiven und passiven Bewegungsapparat innerhalb eines bestimmten Bereiches konstant gehalten. Ein optimaler Laufschuh sollte eine ähnliche Kinematik aufweisen wie der individuelle Barfußlauf. Diese Forderung wurde teilweise durch den Lieblingslaufschuh erfüllt. Es ist anzunehmen, daß der Komfort aus einem komplexen Zusammenspiel von Körper, Laufschuh und Laufoberfläche resultiert. Für die Optimierung von Komfort, Performance und Verletzungsprophylaxe müssen Paßform und Materialeigenschaften des Laufschuhs sowie die individuelle Situation des Läufers gleichermaßen berücksichtigt werden. Deshalb sollten Laufschuhe nach den spezifischen kinetischen und kinematischen Gegebenheiten des einzelnen Läufers konzipiert werden, denn der Komfort ist ein vom Läufer abhängiges Phänomen. N2 - The purpose of this study was to determine correlations between biomechanical parameters such as impact forces and foot pronation of running shoes and subjective comfort. Kinetic and kinematic parameters of so called favourite running shoes were compared with parameters of 2 reference standard running shoes and associated with the individual plantar pressure and footshape. Experimental data of this study shows that impact forces and foot pronation depend on the shape of the last, material properties of the shoe sole and specific running patterns of the athlete. Experimental data suggests that the locomotor system uses a neuropysiological muscle tuned strategy to provide movement control and cushioning. This strategy maintains a preferred joint movement path and constant joint loading for a given movement task. An optimal running shoe should support this individual movement pattern. The favourite running shoe seems to support this system. There is a complex interaction between the body, the running shoe and the running surface. Thus to optimize comfort, performance and injury protection shoe shape, material properties and individual movement patterns should be considered. As comfort is an athlete-depending phenomenon running shoes should be constructed according to specific kinetic and kinematic characteristics of the athlete. KW - Laufschuhe KW - Komfort KW - Dämpfung KW - Stabilität KW - Biomechanik KW - running shoes KW - comfort KW - cushioning KW - motion control KW - biomechanics Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-6642 ER - TY - THES A1 - Wecker, Thomas T1 - Über den Einfluss des transformierenden Wachstumsfaktors beta 2 auf das Zytoskelett und das Proteinexpressionsmuster menschlicher Trabekelmaschenwerkszellen T1 - TGF-beta 2 modulates cell-cell adhesion and the cytoskeleton in human trabecular meshwork cells N2 - Das primäre Offenwinkelglaukom (POWG) ist eine mit typischen Gesichtfeld- und Papillenschäden einhergehende Erkrankung des Auges, die in den westlichen Industrienationen zu den häufigsten Erblindungsursachen zählt. An Glaukom erkrankte Patienten weisen häufig erhöhte Augeninnendruckwerte und gesteigerte TGF-beta 2-Spiegel im Kammerwasser auf. Der Augeninnendruck wird im Wesentlichen durch den Abflusswiderstand des Trabekelmaschenwerks bestimmt. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des Wachstumsfaktors TGF-beta 2 auf das Zytoskelett von menschlichen Trabekelmaschenwerkszellen (HTM) untersucht. Hierbei konnten die bereits bekannten TGF-beta-Effekte, nämlich verstärkte Stressfaserbildung und Zunahme der alpha-SMA- sowie Aktin-Expression bestätigt werden. Bisher unbekannt war die Zunahme der Expression von N-Cadherin und beta-Catenin unter TGF-beta, die Veränderungen der Zell-Zell-Adhäsionen nach sich zieht und damit auch Einfluss auf die biomechanischen Eigenschaften des Trabekelmaschenwerks haben könnte. beta-Catenin ist hierbei auch unter dem Einfluss von TGF-beta nur zu einem geringen Anteil im Zellkern lokalisiert, was mit einer vermehrten Lokalisation von beta-Catenin in Zell-Zell-Verbindungen vereinbar ist. Da vermutlich unter TGF-beta-Stimulation sogar eher weniger beta-Catenin als Mediator für den Wnt-Signalpfad zur Verfügung steht, könnte ein TGF-beta-vermittelter Wnt-Antagonismus eine Rolle in der Entstehung des POWG spielen. Es ist bekannt dass eine Hemmung des Wnt-Signalwegs den Augeninnendruck erhöht. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass an der TGF-beta 2-Signalgebung in humanen Trabekelmaschenwerkszellen außer dem klassischen Smad-Weg auch MEK/ERK und PI3K/AKT an der Signalübertragung beteiligt sind. Hierbei sind die TGF-beta-induzierten Änderungen der Zell-Zell-Verbindungen von der Smad- und AKT-Signalgebung abhängig, während die Effekte von TGF-beta auf alpha-SMA über den MEK/ERK-Signalweg vermittelt werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen einige neu beobachtete TGF-beta-Effekte im Trabekelmaschenwerk, von denen insbesondere die Veränderungen des Zellskeletts und der Zell-Zell-Verbindungen sowie die möglicherweise stattfindende Depletion des Wnt-Signalweges Bedeutung für die Entstehung des Offenwinkelglaukoms haben könnten. N2 - Primary open angle glaucoma (POAG) is a chronic optic neuropathy with elevated intraocular pressure and ageing as major risk factors. The incidence of POAG is expected to rise in the aging industrial societies. Structural changes in the trabecular meshwork (TM) and elevated TGF-beta 2 levels in the aequous humor have been described in POAG-patients. It has been shown that TGF-beta modulates the amount and the composition of the extracellular matrix and intracellular proteins in the TM. Here we show that TGF-beta 2 modulates the cytosceletal rearrangements and the expression of cadherins in human TM cells. These changes require the canonical Smad-pathway as well as non-canonical signaling by the Pi3K/AKT- and MEK/ERK-pathways. Changes in the cytoskeleton and cell-cell adhesions might influence the mechanotransduction characteristics of TM tissue and thus have effects on the regulation of intraocular pressure with implications in primary open angle glaucoma. KW - Glaukom KW - Weitwinkelglaukom KW - Zellskelett KW - Transforming Growth Factor beta 2 KW - Wnt-Proteine KW - Kammerwinkel KW - Trabekelmaschenwerk KW - Proteinexpressionsmuster KW - Biomechanik KW - trabecular meshwork KW - protein expression KW - biomechanics Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-54595 ER -