Elektronische Schaltkreise für Experimente

Das Centrum Wissenschaftliche Werkstätten (CWW) verfügt über ein eigenes Labor für Elektronik. Dort werden Schaltungen entwickelt, um spezifische Aufgaben zu realisieren.

Für den Aufbau komplexer Geräte werden Platinen-Layouts in Durchsteck- oder SMD-Technologie layoutet.

Außerdem besteht die Möglichkeit, Eigenentwicklungen mit vorgegebenen Baugruppen zu kombinieren.

 

 

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Beispielprojekte aus dem Fachbereich Elektronik:

Hautsprühsystem

Sprühkopf zur Applikation von gezüchteten Hautzellen
Stellknopf zur Wahl des Sprühmodus mit Anzeige

Herstellung eines Hauttransplantates: Durch Aufsprühen von gezüchteten Hautzellen sollen grossflächige Hautdefekte geheilt werden.

K. Dannenberg, H. Baer, B. Conrad
In Zusammenarbeit mit Dr. C. Johnen, T. Witascheck
(Exp. Chirurgie, BMFZ, CVK, Hybrid Organ GmbH)

Das Zentrum für Schwerbrandverletzte mit plastischer Chirurgie betreut eine vom Land Berlin geförderte Studie zur Kulturhautzüchtung. In enger Kooperation mit der Firma Hybrid Organ GmbH sowie der Arbeits­gemeinschaft für Experimentelle Chirurgie der Charitè (Campus Virchow-Klinikum) kann das klinische Know-how des Zentrums für Schwer­brandverletzte mit plastischer Chirurgie optimal mit den Forschungs­einrichtungen sowie einer modernen Biotechnologie­produktions­stätte verknüpft werden. 

Ziel der Forschungen sind mehrschichtige Hauttransplantate, die den optimalen Hautersatz ein Stück näher bringen sollen.

Bei der Entwicklung eines Sprühgerätes für Zellen muss berücksichtigt werden, dass der Sprühvorgang grundsätzlich eine physikalische Belastung für die Zellen darstellt. Das heißt, es müssen sowohl eine verträgliche technische Lösung, wie auch die für einen Sprühvorgang adäquaten Parameter wie Luftstrom, Druck, Mediumfluss und Temperatur gefunden werden, die einerseits ein gleichmäßig flächiges Sprühergebnis ermöglichen und andererseits die Zellen weitestgehend unbeschadet lassen. Insofern war und ist die Optimierung des Sprüh­kopfes einer der wesentlichen Faktoren im Rahmen der Entwicklung.

Um ein Sprühen zu gewährleisten, musste eine Düse konstruiert werden, die eine turbulente Strömung erzeugt. In der Düse werden Luftstrom und Mediumfluss gemischt. Der Mediumfluss beschreibt die in die Düse pro Zeit abgegebene Flüssigkeitsmenge, welche die Hautzellen enthält. Der Luftstrom beschreibt die Luftmenge pro Zeit, die in der Düse verdichtet wird. Hieraus entsteht der zur Sprühapplikation verwendete und am Austrittspunkt der Düse messbare Sprühdruck.

Für das in diesem Forschungsvorhaben entwickelte Sprühgerät wurden zahlreiche mechanische Bauteile mit Hilfe unserer CNC-Fräsmaschine hergestellt.

Zeitraffervideografie

Zellkultivierungssystem für die Zeitraffervideografie mit elektronischer Temperaturwahl
Acrylglasfenster mit einem Heizdraht

"Zellkultivierungssystem für die Zeitraffer-Videografie": Zellkultivierungssystem für neuronale Zellkulturen

R. Paulat, B. Conrad, B. Höppe

In Zusammenarbeit mit Dr. J. Bösel
(Klinik für Neurologie, Exp. Neurologie, CCM)

Die Aufgabe des Centrum Wissenschaftliche Werkstätten (CWW) bestand darin, ein Zellkultivierungssystem für die Zeitraffervideografie zu entwickeln, das auf eine Temperatur von 37°C erwärmt werden kann.

Eine Schwierigkeit bestand darin, die Bildung von Kondenswasser, das eine nicht tolerierbare Lichtstreuung verursachte, an der oberen Kammer­ab­deckung zu verhindern. Dazu wurde ein Acrylglasfenster mit einem Heizdraht versehen.

Um die Lichtstreuung so gering wie möglich zu halten, musste ein Heizdraht mit einem Durchmesser von nur 0,05 mm verwendet werden. Dieser geringe Drahtdurchmesser entspricht der Dicke eines menschlichen Haares. Die Kontaktierung, sowie die Handhabung und die erforderliche Zugentlastung des Heizdrahtes gestaltete sich deshalb besonders schwierig.

Mit diesem System soll es möglich sein, Nervenzellen in Kultur für Tage außerhalb des Inkubators unter einem Mikroskop zu halten, um über eine Zeitraffer-Kamera sekundäre Vorgänge, z.B. das Aussprossen von Nervenzellfortsätzen, zu untersuchen.

Kinetik des Massentransfers bei Inhalationsanästhetika

Zwei Kühl-Heizplatten mit den zugehörigen Steuergeräten
Steuergerät mit Anschluss für Lüfter und Peltierelemente, sowie den Tasten zur Temperaturwahl und dem Hauptschalter
Oberseite der Kühl-Heizplatte mit 20 Applizierungskammern
Unterseite der Kühl-Heizplatte mit Lüfter

"Thermostatisierung mit den Kühl-Heizplatten (KHP1-3)": Thermostatisierung von kleinen Proben

in Zusammenarbeit mit Dr. N. Wüstneck, Dr. habil. R. Wüstneck, Prof. Dr. med. U. Pison (Klinik für Anästhesiologie mit Schwerpunkt operative Intensivmedizin CCM/CVK)

 

Für die Untersuchungen zur Kinetik des Massentransfers (Diffusion in der Gasphase, Adsorption, Diffusion in der flüssigen Phase, Absorption) der Inhalationsanästhetika unter verschiedenen Bedingungen werden diese in ein Captive-Bubble Surfactometer appliziert, um Veränderungen während des Lösungsprozesses zu verfolgen. Mit Hilfe von insgesamt drei Kühl- Heizplatten wird die Thermostatisierung von kleinen Proben von gasförmigen Inhalationsanästhetika (Halothan, Isofluran, Sevofluran) erreicht.



Die in den MTL entwickelten und gebauten Geräte (Abb. 1) dienen zur Abkühlung oder Erwärmung einer Platte mit je 20 Applizierungskammern gleicher Temperatur.

 

Die gewünschte Temperatur kann mit Tasten, unterhalb der Anzeige, im Bereich von +4° bis +40°C frei gewählt werden, sie wird mit Hilfe von zwei Peltierelementen erzeugt, die Anzeige erfolgt über ein Display (Abb. 2).

 

Die Temperaturregelung wird mit einem Regler Typ "JUMO iTron32" erreicht. Der Regler besitzt drei Tasten (P,▼,▲) die zur Navigation und zum Einstellen der gewünschten Temperatur benötigt werden.

 

Die Zeitverzögerung zum Erreichen der Sollwerttemperatur beträgt bei der Abkühlung 1-16 min und beim Aufheizen 1-4 min. Die elektrische Sicherheit wurde durch einen Sachverständigen der Firma Charité Facility Management GmbH (CFM) überprüft.

Zeitgesteuertes Duftverteilersystem

Duftapplikator zur unabhängigen olfaktorischen Stimulation von 2x6 Mäusekäfigen
Schlauchsystem für die Applikation von Duftstoffen in 12 Käfige

"Duftapplikator für Mäuse": olfaktorische Regulation intrazellulärer Prozesse

in Zusammenarbeit mit Dr. U. Abraham, Immunologie, AG Chronobiologie, CharitèCentrum 12, CCM

Für die Immunologie, AG Chronobiologie, CCM wurde im Centrum Wissenschaftliche Werkstätten (CWW) ein Duftapplikator zur unabhängigen olfaktorischen Stimulation von 2x6 Mäusen entwickelt und gebaut. Untersucht wird dabei die olfaktorische Regulation intrazellulärer Prozesse, die molekulare circadiane Oszillationen und rhythmisches Laufradverhalten generieren.

Das Ziel dieses Projektes ist die Erforschung der Effekte periodischer Duft- und Lichtsignale auf das  Synchronisationsverhalten und die innere Uhr.

Zum Transport der Duftstoffe konnte nur ein Schlauchsystem verwendet werden, welches zum einen kaum Gerüche annimmt (PTFE & Tygon) und zum anderen schnell austauschbar bzw. veränderbar ist, um bei der Applikation der 12 Käfige möglichst flexibel zu bleiben.

Eine weitere Herausforderung bestand in der Suche nach einer zu-verlässigen Pumpe, die wir in der Form eines leistungsfähigen Luftkompressors der Firma NITTO fanden. Die Stimulation erfolgt über jeweils eine HERO-Knopfkanüle pro Käfig, deren Luftstrom gezielt durch eine Zeitschaltuhr entweder mit einem gewünscht intensiven Duft oder gefilterter Raumluft versorgt wird.

Ziel ist es, eine funktionelle Beziehung zwischen olfaktorischer Synchronisation der Uhr im olfaktorischen Bulbus (OB) und dem Reproduktionszyklus aufzudecken.

Publikationen: The circadian clock in the mammalian olfactory bulbs.
DFG-Projekt: Die circadiane Uhr im olfaktorischen Bulbus der Säuger: Mechanismen der Entrainments und funktionelle Aspekte.

Das programmierbare, implantierbare Reizstromgerät

Implantierbare Hirnstimulatoren in Serie

"Chronische tiefe Hirnstimulation im Parkinson-Modell der Ratte": der Stimulator in Serie

In Zusammenarbeit mit Prof. Dr. A. Kupsch, Dr. D. Harnack, Klinik für Neurologie, CharitéCentrum 15 für Neurologie, Neurochirurgie und Psychiatrie, CCM/CVK

Die Parkinson'sche Erkrankung ist die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung (mit über 200.000 in Deutschland betroffenen  Patienten), die durch einen voranschreitenden Untergang von dopaminhaltigen Nervenzellen im Mittelhirn gekennzeichnet ist. Der daraus resultierende Mangel am Gehirnbotenstoff Dopamin wird für die typischen Symptome der Erkrankung (Ruhezittern, Steifheit und erschwerte Beweglichkeit) verantwortlich gemacht. Im Rahmen einer medikamentösen Ersatztherapie kann dieser Mangelzustand zunächst sehr gut behandelt werden. Im Verlauf der Erkrankung kommt es jedoch zunehmend zu einer reduzierten medikamentösen Ansprechbarkeit, weshalb alternative Therapieverfahren notwendig wurden.

Die Therapie mittels eines sog. "Hirnschrittmachers" stellt eine solche Alternative dar und gilt als ein seit Mitte der 1990er Jahre etabliertes und effektives Therapieverfahren.

Bereits 1999 entstand daher die Idee, das klinisch zunehmend genutzte  Stimulationsverfahren in das Tierexperiment zu übertragen und zwar unter Berücksichtigung der gleichen Bedingungen wie in der humanen Situation (u.a. im Hinblick auf die Implantierbarkeit, die externe Programmierbarkeit, und das Stimulationsprotokoll). Konsequenterweise wurde daraufhin ein miniaturisierter Impulsgenerator für die Applikation stromkonstanter Impulse mit fixer Frequenz (ca.130Hz) und Pulsweite (ca. 52µs) entwickelt.

Der erste Prototyp stand dann 2001 zur Verfügung. Obgleich hiermit erstmals eine kontinuierliche Stimulation über mehrere Tage möglich war, erwies sich das System jedoch als nicht ausreichend biokompatibel. Neben den verwendeten Stimulationselektroden (stainless-steel) war der monophasische (bzw. unidirektionale) Strommodus dafür verantwortlich zu machen.

Ein Nachfolgemodell stand dann 2002/03 zur Verfügung und zeichnete sich durch eine ladungsbalancierte Stromapplikation mittels alter-nierender Impulse aus. Bis Ende 2003 konnten die Geräte zunächst unter in-vitro Bedingungen ausreichend getestet werden und zeichneten sich durch eine zuverlässige Umsetzung der programmierten Stimulations-protokolle aus.

Ab 2004 begannen die in-vivo Versuche mit eigens dafür entwickelten miniaturierten Stimulationselektroden (Platin/Iridium). Obwohl sich die Geräte im Hinblick auf die Stromversorgung und die damit verbundene Höchstdauer der Stimulation (max. 5 Wochen) in-vitro als zuverlässig erwiesen, waren bei den Tierversuchen zunächst frühzeitige Funktions-ausfälle der Geräte zu verzeichnen. Da diese unter anderem mit einer insuffizienten Isolation der Geräte assoziiert waren, stand seither eine Verbesserung der Vergießung und der Flüssigkeitsabschirmung im Zentrum der Weiterentwicklung des Systems.

Im Jahre 2005 wurde diesbezüglich zunächst ein passgenauer Überzug aus vulkanisiertem Silikon entwickelt.

Ein Jahr später wurde zudem ein neues Einbettungsmedium für den Verguss des Impulsgenerators verwendet. Unter Verwendung dieser Modifikationen und eines neuen speziellen Kabelsystems konnten seit 2006 Serien von Experimenten zur chronischen tiefen Hirnstimulation durchgeführt werden. Dabei wurden mehrere tierexperimentelle Studien im Parkinson-Modell der Ratte durchgeführt.

Seit 2009 laufen drei weitere Studien in diesem Tiermodell. Weitere Entwicklungen des Stimulationssystems bestanden in der Entwicklung eines externen Ableitgerätes zur Detektion der Stimulation im Tier und einer Lithiumionen-Batterie, dadurch wurde das Gerät noch flacher.

Modifizierte Lichtmesskammern zur thermischen Stimulation der Proben

Steuereinheit zur thermischen Regelung von 8 LDC
Weiterentwickelte Lichtmesskammer mit eingebautem Peltier-Element und Platin-Temperatursensor

"Steuereinheit für 8 thermisch regelbare Lichtmesskammern": Light-Detecting-Chamber (LDC)

In Zusammenarbeit mit Prof. Dr. A. Kramer, Institut für Medizinische Immunologie, AG Chronobiologie, CharitéCentrum 12, CCM

Entwicklung eines Gerätes zur unabhängigen thermischen Regelung von 8 tLDCs mit der Möglichkeit einer Istwert-Aufzeichnung auf einem PC.

Diese Steuereinheit soll mit der Hilfe von Photonen-Zählern biologische Lumineszenz (Luziferase-Aktivität) von in vitro kultiviertem Gewebe detektieren. Untersucht wird dabei die Regulation intrazellulärer Prozesse, die molekulare circadiane Oszillationen generieren.

Zur thermischen Stimulation der Proben wurde das ursprüngliche Design der Lichtmess-kammer (LDC) so verändert, dass der Einsatz von einem Peltierelement und einem Platin-Temperatursensor möglich wurde, ohne dass Einbußen bei der Lichtdichtigkeit entstehen.

pH-Regelung in einem Bioreaktor

Aufbau des fertiggestellten Gerätes
pH-Wert Regelkreis
pH-Messkette

"Damit die Zellen nicht sauer werden": Regelung des pH-Wertes in einem Bioreaktor für embryonale Stammzellen

in Zusammenarbeit mit M. Decker, AG Exp. Chirugie, CVK, CharitéCentrum 8, (Direktor: Prof. Dr. P. Neuhaus)

Für die Zellen in einem Bioreaktor soll eine Umgebung geschaffen werden, die eine organtypische Ausübung der Zellfunktionen erlaubt. Hierzu werden die Zellen mit einem speziellen Zellkulturmedium versorgt.

Es werden Substanzen, die von den Zellen benötigt werden, z.B.

  • Zucker,
  • Aminosäuren,
  • Vitamine

hinzu gegeben. Gleichzeitig sollen die überwiegend sauren Stoffwechselprodukte der Zellen soweit wie möglich neutralisiert werden, um einen physiologischen pH-Wert im Zellkompartiment aufrecht zu erhalten. Für die Neutralisation werden Puffer eingesetzt. Diese haben die Aufgabe einen definierten pH-Wert über längere Zeit konstant zu halten, auch wenn Säuren oder Basen von den Zellen gebildet werden.

Zur Regelung dieses pH-Wertes in einem perfundierten Bioreaktorsystem wurde ein spezielles Gerät entwickelt. Dieses Gerät enthält ein Messgerät für die Messung des pH-Wertes, Ventile die als Stellglied eingesetzt werden und ein Gasgemisch erzeugen sowie einen Mikrocontroller der hier als Regler genutzt wird. Außerdem wurde ein Programm zur Protokollierung der während der Regelung anfallenden Messdaten realisiert.

Der pH-Wert im Zellkulturmedium wird berührungslos vom Sensor erfasst und zum Regler übertragen. Der implementierte PI-Regelalgorithmus berechnet daraus die Stellgröße und sendet diese an die Ventile, welche ein konstantes Gemisch erzeugen, das die Kapillaren des Bioreaktors durchströmt. Weiterhin wurde das Stör- und Führungsverhalten der Regelung untersucht.

Einen Überblick über den pH-Wert und die gesamten Gasdurch-flüsse während der Regelung gibt das erstellte Programm zur Protokollierung in Form von Graphen und einem LC-Display, welches vom Regler angesteuert wird.

Lungenfunktionsmodell zur Simulation des Gasaustauschs bei Neugeborenen

Lungenfunktionsmodell zur Simulation des Gasaustauschs bei Neugeborenen
Zwei elektronisch gesteuerte Kolbenpumpen mit Ventilsystem
Messwertverarbeitung

"Einfluss des Atemwegtotraums bei kleinen Atemzug-volumina"

in Zusammenarbeit mit PD Dr. G. Schmalisch, Klinik für Neonatologie, CharitéCentrum 17 (Direktor: Prof. Dr. C. Bührer)

Wegen der geringen Atemzugvolumina bei Neugeborenen hat der Atemwegstotraum einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz des Gasaustauschs.

Unter dem Atemwegstotraum versteht man die Summe aller Hohlräume im Atemtrakt, die zwar der Luftzuleitung dienen, jedoch nicht am pulmonalen Gasaustausch teilnehmen.

Zur Untersuchung der Gasvermischung im Atemwegstotraum und dessen Beeinflussung durch das Atemmuster wurde ein Lungenmodell entwickelt, mit dem bei Neugeborenen der Atemgaswechsel zwischen Ein- und Ausatmung simuliert werden kann.

Durch zwei elektronisch gesteuerte Kolbenpumpen wird über ein Ventilsystem die Einatmung von Raumluft und die Ausatmung von Atemluft mit 5%CO2, die aus einer speziellen Gasflasche kommt, realisiert.

Aus der CO2-Volumenkurve bei Ein- und Ausatmung erhält man physiologisch interessante Größen über den effektiven Totraum, die CO2-Rückatmung und damit auch über den Gasaustausch.

Diese Untersuchungen sind Bestandteil eines laufenden Forschungs-projektes zur Therapie der Ateminsuffizienz bei Neugeborenen. Das entwickelte Lungenmodell ermöglicht aber auch eine einfache Testung von Gasanalysatoren, wie sie in der Lungenfunktionsdiagnostik häufig verwendet werden.

Steuereinheit mit Motor zur Muskelkraftmessung

Gerät zur Muskelkraftmessung
Controllergesteuertes Vorgängermodell eines Stimulators zur intra-muskulären Stimulation bei Ratten

"Muskelregeneration durch das lokale Applizieren von autogenem Knochenmarkderivat":
Kräftemessen an Muskeln

in Zusammenarbeit mit PD Dr. G. Matziolis, CharitéCentrum 09 für Unfall- und Wiederherstellungschirurgie CCM/CVK (Direktor: Prof. Dr. N. Haas)

Unzureichende posttraumatische Regeneration der Skelett-Muskulatur verbunden mit fortlaufendem funktionalen Mangelzustand ist ein weiterhin bestehendes ernstes Problem der Orthopädie und der Unfallchirurgie.

Eine Transplantation von autogenetischen Precursor (Vorläufer)-Muskelzellen hat viel versprechende Resultate bei der Muskelheilung aufgedeckt, die allerdings mit erheblichem Aufwand bei der Akquirierung von Spendern verbunden sind. Das Ziel dieser Studie war es, zu untersuchen, ob reguläre Muskelregeneration durch das lokale Applizieren von autogenem Knochenmarkderivat (im Rattenmodell mit einem stumpfen Trauma) verbessert werden kann.

Zur Stimulation der Muskulatur wurde ein Gerät entwickelt, das Strom-impulse von 0-20mA bereitstellt. Dieser Stimulator sollte über ein computerbasiertes Programm steuerbar sein, welches der Auftrag¬geber bereits für das Controllergesteuerte Vorgängermodel (Abb. 1) entwickelt hat.

Das neue Gerät ist über eine PCMCIA-Karte mit einem Laptop verbunden und ermöglicht sowohl die Stimulation der Muskulatur als auch die Steuerung eines Motors einer Haltevorrichtung zur Straffung der Extremität. Die Forderungen nach einem geringen Gewicht und einer hohen Motorleistung der Haltevorrichtung erfüllten eine Konstruktion aus Aluminium und ein Schrittmotor der Firma McLennan. Dadurch konnte die elektromechanische Erweiterung an das vorhandene System unkompliziert angebunden werden.

Publikation

Autologous Bone Marrow-Derived Cells Enhance Muscle Strength Following Skeletal Muscle Crush Injury in Rats
[TISSUE ENGINEERING, Volume 12, Number 2, 2006]

Ansprechpartner

Marcus Eweleit

Elektronik / Elektrotechnischer Gerätebau

Andreas von Garnier

Elektronikwerkstatt

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