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Interaktionen zwischen Insekten und Pflanzen können auf chemischen oder mechanischen Faktoren beruhen. Mechanische Faktoren spielen eine besonders wichtige Rolle bei den Fallen karnivorer Pflanzen. Ziel dieser Arbeit war es, die Rolle mechanischer Faktoren in der Interaktion zwischen der Kannenpflanze Nepenthes bicalcarata und der Ameise Camponotus schmitzi aufzuklären, bei der Ameisen Gegenanpassungen zu spezialisierten pflanzlichen Fangstrukturen entwickelt haben. Im Rahmen meiner Arbeit habe ich mich mit den Fragen beschäftigt, 1) welche Kannenstrukturen und welche Mechanismen für den Fang von Arthropoden wichtig sind und 2) welche speziellen Anpassungen C. schmitzi-Ameisen für das Leben auf ihrer karnivoren Wirtspflanze besitzen. Bisher wurde angenommen, dass Nepenthes-Kannen Tiere mit Hilfe von rutschigen Wachskristallschichten fangen. Ich konnte zeigen, dass ein weiterer, bisher unbekannter Fangmechanismus existiert, welcher auf speziellen Oberflächeneigenschaften des Kannenrandes (Peristom) und "Insekten-Aquaplaning" basiert. Das Peristom besitzt eine regelmäßige Mikrostruktur, welche dafür sorgt, dass die Oberfläche vollständig mit Wasser benetzbar ist, so dass sie bei feuchter Witterung von homogenen Flüssigkeitsfilmen überzogen ist. Auf dem trockenen Peristom können Ameisen ohne Schwierigkeiten laufen und Nektar von den am inneren Peristomrand gelegenen Nektarien ernten. Wird die Oberfläche aber beispielsweise durch Regen nass, rutschen die meisten Tiere ab und stürzen in die Kanne. Messungen der Reibungskräfte von Weberameisen (Oecophylla smaragdina) auf dem Peristom von N. bicalcarata zeigten, dass Flüssigkeitsfilme auf der Oberfläche die Anhaftung der Haftorgane (Arolien) verhindern, und dass die Mikrostruktur des Peristoms auch den Einsatz der Krallen unterbindet. Versuche an Nepenthes alata zeigten darüber hinaus, dass dieser Fangmechanismus des Peristoms auch für Nepenthes-Arten mit wachsbereifter Kanneninnenwand essentiell, und die Wachsschicht eher für die Retention gefangener Tiere wichtig ist. Zur Analyse der ökologischen Auswirkungen des "Aquaplaning"-Fangmechanismus habe ich die Peristomfeuchte von Nepenthes rafflesiana var. typica-Kannen zeitgleich mit meteorologischen Daten im Feld kontinuierlich aufgezeichnet und mit Experimenten zur Beurteilung der Fangeffizienz der Kannen kombiniert. Die Ergebnisse dieser Versuche zeigen, dass die Kannen abhängig vom Befeuchtungsgrad des Peristoms zeitweise sehr effiziente Fallen mit Fangraten von 80% sein können, während sie zu anderen Zeiten vollkommen ineffizient sind. Die Variation der Peristomfeuchte wird durch Regen, Kondensation und von den Peristomnektarien sezerniertem Nektar verursacht. Es ist zu vermuten, dass die nur zeitweise und unvorhersehbare Aktivierung der Nepenthes-Kannenfallen durch Nässe der Evolution von Vermeidungsstrategien bei Beutetieren entgegenwirkt. Im Rahmen der Untersuchungen, welche mechanischen Anpassungen C. schmitzi-Ameisen für das Leben auf N. bicalcarata besitzen habe ich mich auf die Fragen konzentriert, wie es den Ameisen gelingt den Peristom-Fangmechanismus zu umgehen und welche Anpassungen sie besitzen um in der Kannenflüssigkeit tauchend und schwimmend nach Nahrung zu suchen. Im Gegensatz zu generalistischen Arten stürzen C. schmitzi-Ameisen auf dem nassen Peristom nicht ab. Durch selektive Manipulation der tarsalen Haftstrukturen konnte ich demonstrieren, dass die Arolien für die Peristomlauffähigkeit der C. schmitzi-Ameisen eine wesentliche Rolle spielen. Für das Furagieren in der Kannenflüssigkeit verfügen C. schmitzi-Ameisen über ein sich wiederholendes, stereotypes Verhaltensmuster, welches aus einer Unterwasserlauf- und einer Oberflächenschwimmphase besteht. Meine Untersuchungen dieses Verhaltensmusters zeigten, dass die Ameisen am Ende der Unterwasserlaufphase mit Hilfe ihres stets vorhandenen Auftriebs zur Flüssigkeitsoberfläche aufsteigen. Dabei taucht ein Teil ihres Hinterleibs aus der Kannenflüssigkeit auf, was den Ameisen die Sauerstoffaufnahme aus der Luft ermöglicht. Nach dem Auftauchen schwimmen C. schmitzi-Ameisen mittels schneller Beinbewegungen an der Oberfläche der Kannenflüssigkeit. Dabei ähnelt die Bewegungskoordination ihrer Beine dem bei Ameisen für die Fortbewegung an Land typischen Dreifußgang. Ein Vergleich der Kinematik von schwimmenden und laufenden C. schmitzi-Ameisen hat gezeigt, dass schwimmende Ameisen ihre Beine in der Schlagphase mit einer höheren Winkelgeschwindigkeit als in der Rückholphase bewegen, während dies bei den laufenden Tieren genau umgekehrt ist. Ferner strecken schwimmende Ameisen ihre Beine während der Schlagphase weiter aus als in der Rückholphase, wohingegen laufende Ameisen in beiden Bewegungsphasen vergleichbare Beinradien aufweisen. Dies lässt den Schluss zu, dass die Schwimmkinematik der C. schmitzi-Ameisen eine abgewandelte Form ihrer Laufkinematik darstellt, welche für die Erzeugung von Vortrieb im Wasser optimiert wurde.
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.
Kalkaneusfrakturen machen mit 1-2% nur einen geringen Anteil aller Frakturen aus, jedoch sind sie mit einer hohen Rate an Komplikationen verbunden. Die exakte Wiederherstellung der Gelenkkongruenz im Bereich der posterioren Gelenkfacette ist hierbei von zentraler Bedeutung. In dieser biomechanischen Studie wurden drei verschiedene, winkelstabile Plattenosteosynthesen zur Versorgung von Kalkaneusfrakturen im Hinblick auf ihre Stabilität an Kunststoffknochen in einer Materialprüfmaschine getestet und verglichen. Für jede Gruppe wurden an je neun Kalkaneusmodellen Sanders Typ IIB Frakturen erzeugt und anschließend nach Herstellervorgabe versorgt. Von den drei Plattenosteosynthesen waren zwei neuartige, polyaxiale, winkelstabile Systeme und ein konventionelles, winkelstabiles Plattensystem vertreten. Alle Proben wurden auf drei verschiedenen Kraftniveaus (200N, 600N und 1000N) zyklisch und anschließend in einer Maximalkraftuntersuchung getestet. Gemessen wurden das Peak to Peak Displacement bei 200N, 600N und 1000N, die Steifigkeit, der Δ-Gissane-Winkel und die Art des Materialversagens. Ziel dieser Studie war es, anhand dieser Parameter nachzuweisen, ob neuartige, polyaxiale Plattensysteme durch ihre variable Schraubenplatzierung in einem 30°-Konus eine erhöhte biomechanische Stabilität bei Sanders Typ IIB Kalkaneusfrakturen erzeugen. Die Ergebnisse der oben genannten Messparameter wiesen keine statistisch signifikanten Unterschiede (Signifikanzniveau 0,05) auf, weshalb wir unsere Nullhypothese, dass alle drei Plattensysteme eine vergleichbare biomechanische Stabilität besitzen, beibehielten und unsere Gegenhypothese, dass die neuartigen, polyaxialen Plattensysteme eine überlegene biomechanische Stabilität besitzen, verworfen haben. Es bleibt jedoch folgenden biomechanischen und klinischen Studien überlassen, ob die neuartigen Plattensysteme bei anderen Frakturen oder intraoperativ einen biomechanischen, weichteilschonenderen und insgesamt komplikationsloseren Vorteil erzielen können.
Adipositas ist weltweit ein verbreitetes und fortschreitendes gesundheitliches und ökonomisches Problem. Die therapeutischen Effekte von Diäten und Medikamenten sind insgesamt unbefriedigend und nicht andauernd. Einzig die Ansprechraten der bariatrischen Chirurgie auf die Gewichtsminderung sind langfristig erfolgversprechend. Unter den bariatrischen Methoden gilt der Roux-en-Y-Magenbypass (RYGB) als Goldstandard und wird wegen seines positiven Nutzen-Risiko-Verhältnisses häufig durchgeführt. Zunehmend rückt der Einfluss der RYGB-Operation auf den Knochenstoffwechsel in das Blickfeld der Forschung. In der Literatur konnte gezeigt werden, dass der Knochenmineralsalzgehalt nach RYGB-Operation abnimmt und der Knochenumsatz zunimmt. Langzeitstudien zur Knochengesundheit nach RYGB-Anlage existieren allerdings kaum und eine klinische Relevanz der verminderten BMD für das Frakturrisiko ist unbekannt.
Ziel der vorliegenden Studie war die Untersuchung der Langzeitveränderungen der Knochenqualität nach RYGB-Operation in der Ratte im biomechanischen Test und die Korrelation mit erhobenen Daten der Knochendichte. Dazu wurden 18 männliche Wistar-Ratten randomisiert in zwei Gruppen aufgeteilt. Neun der Ratten erhielten eine RYGB-, die anderen neun eine Sham-Operation. 200 Tage im Anschluss an die Operation wurden die Tiere geopfert und Tibiae und Femora für die biomechanische Untersuchung entnommen.
Im Torsionstest schnitten die getesteten RYGB-Knochen bezüglich Stärke und Steifigkeit signifikant schlechter ab als die der Sham-Vergleichsgruppe. Für die in der quantitativen Mikrocomputertomographie gemessene Knochendichte ergab sich das gleiche Ergebnis. Eine positive Korrelation zwischen der BMD und den Torsionsparametern ließ sich allerdings nicht nachweisen.
In dieser tierexperimentellen Studie konnte gezeigt werden, dass die veränderten Stoffwechselbedingungen durch Magenbypass-Anlage im Rattenmodell in einer biomechanisch reduzierten Knochenqualität resultieren und damit das potenzielle Frakturrisiko nach dieser Operation ansteigt.
Chondrogenic differentiation of human mesenchymal stem cells and articular cartilage reconstruction
(2008)
Articular cartilage defects are still one of the major challenges in orthopedic and trauma surgery. Today, autologous chondrocyte transplantation (ACT), as a cell-based therapy, is an established procedure. However, one major limitation of this technique is the loss of the chondrogenic phenotype during expansion. Human mesenchymal stem cells (hMSCs) have an extensive proliferation potential and the capacity to differentiate into chondrocytes when maintained under specific conditions. They are therefore considered as candidate cells for tissue engineering approaches of functional cartilage tissue substitutes. First in this study, hMSCs were embedded in a collagen type I hydrogel to evaluate the cartilaginous construct in vitro. HMSC collagen hydrogels cultivated in different culture media showed always a marked contraction, most pronounced in chondrogenic differentiation medium supplemented with TGF-ß1. After stimulation with chondrogenic factors (dexamethasone and TGF-ß1) hMSCs were able to undergo chondrogenesis when embedded in the collagen type I hydrogel, as evaluated by the temporal induction of cartilage-specific gene expression. Furthermore, the cells showed a chondrocyte-like appearance and were homogeneously distributed within a proteoglycan- and collagen type II-rich extracellular matrix, except a small area in the center of the constructs. In this study, chondrogenic differentiation could not be realized with every hMSC preparation. With the improvement of the culture conditions, e.g. the use of a different FBS lot in the gel fabrication process, a higher amount of cartilage-specific matrix deposition could be achieved. Nevertheless, the large variations in the differentiation capacity display the high donor-to-donor variability influencing the development of a cartilaginous construct. Taken together, the results demonstrate that the collagen type I hydrogel is a suitable carrier matrix for hMSC-based cartilage regeneration therapies which present a promising future alternative to ACT. Second, to further improve the quality of tissue-engineered cartilaginous constructs, mechanical stimulation in specific bioreactor systems are often employed. In this study, the effects of mechanical loading on hMSC differentiation have been examined. HMSC collagen hydrogels were cultured in a defined chondrogenic differentiation medium without TGF-ß1 and subjected to a combined mechanical stimulation protocol, consisting of perfusion and cyclic uniaxial compression. Bioreactor cultivation neither affected overall cell viability nor the cell number in collagen hydrogels. Compared with non-loaded controls, mechanical loading promoted the gene expression of COMP and biglycan and induced an up-regulation of matrix metalloproteinase 3. These results circumstantiate that hMSCs are sensitive to mechanical forces, but their differentiation to chondrocytes could not be induced. Further studies are needed to identify the specific metabolic pathways which are altered by mechanical stimulation. Third, for the development of new cell-based therapies for articular cartilage repair, a reliable cell monitoring technique is required to track the cells in vivo non-invasively and repeatedly. This study aimed at analyzing systematically the performance and biological impact of a simple and efficient labeling protocol for hMSCs. Very small superparamagnetic iron oxide particles (VSOPs) were used as magnetic resonance (MR) contrast agent. Iron uptake was confirmed histologically with prussian blue staining and quantified by mass spectrometry. Compared with unlabeled cells, VSOP-labeling did neither influence significantly the viability nor the proliferation potential of hMSCs. Furthermore, iron incorporation did not affect the differentiation capacity of hMSCs. The efficiency of the labeling protocol was assessed with high resolution MR imaging at 11.7 Tesla. VSOP-labeled hMSCs were visualized in a collagen type I hydrogel indicated by distinct hypointense spots in the MR images, resulting from an iron specific loss of signal intensity. This was confirmed by prussian blue staining. In summary, this labeling technique has great potential to visualize hMSCs and track their migration after transplantation for articular cartilage repair with MR imaging.
Die Anpassung des Aktinzytoskeletts an extrazelluläre Gewebsstrukturen ist Voraussetzung für die Interaktion mit der extrazellulären Matrix und für die Zellbewegung, einschließlich der Invasion und Metastasierung von Tumorzellen. Wir untersuchten bei invasiven B16/F1 GFP-Aktin Mausmelanomzellen, ob und wie sich Zellform, Art und Effizienz der Bewegung an physikalisch unterschiedlich beschaffene kollagenöse Umgebungen anpassen: 1) mit Kollagen-Monomeren beschichtete 2D Objektträger, 2) 2D Oberfläche einer fibrillären Kollagenmatrix und 3) Zellen, die in einer 3D Kollagenmatrix eingebettet waren. Zur Darstellung des Aktinzytoskeletts wurden Zellen eingesetzt, die GFP-Aktin Fusionsprotein exprimierten, und mittels Zeitraffer-Videomikroskopie und Konfokalmikroskopie untersucht. Im direkten Vergleich waren Struktur und Dynamik des Aktinzytoskelett wie auch Zellform und Art der Migration unterschiedlich in den verschiedenen Umgebungen. Auf 2D planer Oberfläche erfolgte eine rasche Adhäsion und Abflachung der Zellen (Spreading) mit nachfolgender Migration mit Bildung fokaler Adhäsionszonen, in die kabelartige Aktinstrukturen (Stress fibers) einstrahlten. Dagegen entwickelte sich in 3D Kollagenmatrices eine spindelförmige, fibroblastenähnliche Zellform (mesenchymal) mit zylindrischen fingerförmigen vorderen Pseudopodien, die Zug der Zelle nach vorne bewirken und hochdynamisches polymeres Aktin, nicht jedoch Stress Fibers enthielten. Eine ähnliche Zellform und Struktur des Zytoskeletts entwickelte sich in Zellen auf 2D fibrillärem Kollagen. Die Kontaktfindung und Migrationseffizienz auf oder in fibrillären Matrices war im Vergleich zu 2D kollagenbeschichteter Oberfläche erschwert, die Migrationseffizienz verringert. In Kontrollversuchen wurden Migration und polarisierte Bildung von Aktindynamik durch Inhibitoren des Aktinzytoskeletts (Cytochalasin D, Latrunculin B, Jasplakinolide) stark gehemmt. Diese Befunde zeigen , dass die Struktur und Dynamik des Aktinzytoskeletts sowie die Art der Migration in Tumorzellen stärker als bisher angenommen durch die umgebende Kollagenstruktur bestimmt wird. Während 3D Kollagenmatrices in vivo ähnliche bipolare Zytoskelettstruktur fördern, müssen Abflachung der Zellen mit Bildung von Stress Fibers als spezifische Charakteristika von 2D Modellen angesehen werden.
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.
Die anspruchsvolle Behandlung von Knorpelschäden sowie die weite Verbreitung dieser Krankheitsbilder rücken die bestehenden Therapien sowie die Entwicklung alternativer Therapieansätze in den Mittelpunkt der heutigen Forschung. Der Ansatz eines unterstützenden Knorpeladhäsivums ist vielversprechend.
Ziel dieser Dissertation war es im Rahmen eines Push-out-Modells einen standardisierten Versuchsaufbau zur Analyse der Knorpelintegration in vitro sowie einen reproduzierbaren Versuchsablauf zu erarbeiten und somit eine Untersuchung und einen Vergleich von Bioadhäsiva in Bezug auf ihre Bindungskraft zu gewährleisten. Nur eine fehlerfreie und reproduzierbare Messung ermöglicht dezidierte Aussagen über eine direkte Adhäsionsstärke. Wie in dieser Arbeit dargelegt, gibt es eine Vielzahl von Störungsquellen, welche eine solche Messung beeinträchtigen können und so einen Vergleich bzw. eine Aussage über die Bindungsstärke erschweren. Über die verschiedenen Entwicklungsstufen hinweg konnten alle Fehlerquellen identifiziert und beseitigt werden, sodass zum Ende der Etablierung ein Versuchsaufbau sowie ein Versuchsablauf zur Verfügung stand, der eine fehlerfreie Messung, einen Vergleich sowie eine Wertung der Bindungsstärke von Bioadhäsiva ermöglichte. Es konnte gezeigt werden, dass besonders die Probengeometrie einen entscheidenden Einfluss auf die Messergebnisse hat. So wurden im Rahmen der verschiedenen Entwicklungsstufen diverse Vorrichtungen entwickelt, die die Probenherstellung optimierten und vereinfachten. Hier hatten die Schneidevorrichtungen eine besondere Bedeutung, da bei einem optimalen und genauen Schneidevorgang die Fehleranfälligkeit der darauffolgenden Arbeitsschritte deutlich reduziert werden konnte. Somit erbringt diese Arbeit einen wichtigen Anteil im Bereich der Grundlagenforschung und kann zukünftigen Forschungsgruppen bei der Untersuchung von Bioadhäsiva von Nutzen sein.
Im zweiten Teil dieser Dissertation wurden verschiedene Adhäsiva, bestehend aus BSA und Glutaraldehyd, auf ihre Adhäsionsstärke sowie auf die praktische Anwendbarkeit und Zytokompatibilität hin untersucht. Neben dem kommerziell erwerbbaren BioGlue®, wurden dessen Bestandteile (BSA sowie Glutaraldehyd) in verschiedenen Verhältnissen sowie unterschiedlichen Konzentrationen des Glutaraldehyds analysiert. Es konnten
für die verschiedenen Verhältnisse sowie für die unterschiedlichen Glutaraldehydkonzentrationen beachtliche direkte Adhäsionskräfte nachgewiesen werden. Außerdem ließ sich eine Abhängigkeit der Bindungsstärke von der Glutaraldehydkonzentration als auch von dem Verhältnis der zwei Komponenten verdeutlichen. Zuletzt wurde das Adhäsivum auf seine Zytokompatibilität geprüft. Hier zeigte sich eine deutliche Zytotoxizität, was einen Einsatz als Knorpelkleber stark limitiert. Da sich die Glutaraldehydkonzentration von 10 % auf fast alle Knorpelzellen letal auswirkt, ist ein langfristiges Zusammenwachsen der Knorpelgrenzen nach der initialen Versorgung mit dem Klebergemisch aus aktueller Sicht nicht zu erreichen. Ob eine Reduktion der Glutaraldehydkonzentration bei noch erhaltener Bindungskraft die zytotoxische Wirkung soweit herabsetzen kann, dass eine langfristige Integration stattfindet, scheint ebenfalls eher unwahrscheinlich. Mit diesen Ergebnissen gilt es den Einsatz von BioGlue® in der praktischen Medizin neu zu hinterfragen.
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.
Die Ellenbogenfraktur ist eine häufige Fraktur der oberen Extremität. Um die Funktion des Ellenbogengelenks zu erhalten, sind eine gute Reposition und eine stabile Osteosynthese, sowie eine frühfunktionelle Nachbehandlung der Olekranonfraktur erforderlich.
Zur Versorgung von komplexen Frakturen des Olekranons mit mehreren Fragmenten stehen prinzipiell zwei Osteosyntheseverfahren zur Verfügung. Die dorsale Plattenosteosynthese ist ein schon länger zur Verfügung stehendes Verfahren. Bei der klinischen Anwendung treten jedoch immer wieder Weichteilirritationen durch die dorsale Lage der recht massiven Platte auf. Seit einigen Jahren existiert eine weitere Osteosynthese, bei der zwei flache laterale Olekranonplatten verwendet werden. Durch die Positionierung sollen Wundheilungsstörungen reduziert werden. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines biomechanischen Testmodells und die Stabilitätsprüfung der zwei Verfahren zur Plattenosteosynthese bei mehrfragmentären Olekranonfrakturen in einem klinisch relevanten Belastungsumfang.
Die zwei seitlich angebrachten Olekranon Zwillingsplatten stellen eine gute Alternative zu der singulären dorsalen LCP- Olekranonplatte dar, da sie weniger Weichteilirritationen verursachen und im biomechanischen Model unter hoher Belastung eine vergleichbare Stabilität gewährleisten.