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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.
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.
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.
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.
The Mouthparts of Ants
(2001)
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.
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
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
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.
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.