Simulatoren und Nachbildungen

Mechanischer Testaufbau für Zellen und Knochenkulturen
"Mechanische Stimulation von Zellen und Knochenpräparaten in vitro"

F. Ott
in Zusammenarbeit mit Dr. B. Wildemann, A. Kadow-Romacker, Dipl.-Ing. J.-E. Hoffmann
(Julius Wolff Institut, CVK)

Zur mechanischen Stimulation von Zellen, sowie von murinen embryonalen Knochenpräparaten in vitro wurde ein Testaufbau entwickelt und angefertigt, der in zwei verschiedenen Versuchsansätzen Anwendung findet.

Der Versuchsaufbau basiert auf dem Prinzip der Dreipunktbiegung und ermöglicht eine definierte mechanische Stimulation von Zellen oder Geweben.

1. Anwendung: Die Zellen werden direkt auf dem Dentinchip kultiviert und erfahren über die Biegung des Chips einen mechanischen Reiz.

2. Anwendung: Die etwa 1,5 mm langen Präparate der Mittelfußknochen von Mausembryonen werden auf einem 100 µm dicken flexiblen Filter kultiviert, der auf dem Dentinchip liegt und mit dem Chip zusammen gebogen wird.
Die Versuchsdurchführung beider Versuche erfolgt in Zellkulturschalen unter Zellkulturbedingungen.

Temperaturbedingte Nesselsucht
"Diagnose von Kälteurtikaria mittels vierer Temperaturapplikatoren"

M. Arens, R. Paulat, B. Conrad, B. Höppe

In Zusammenarbeit mit Dr. M. Magerl, PD Dr. M. Maurer
(Klinik für Dermatologie, Venero­logie und Allergologie CCM)

Urtikaria (Nesselsucht) ist eine der häufigsten Hauterkrankungen, die in akute und chronische Urtikaria eingeteilt werden kann. Von einer chronischen Urtikaria spricht man, wenn die Erkrankung länger als 6 Wochen anhält. Das Auftreten einer chronischen Urtikaria kann durch verschiedene Umweltreize ausgelöst werden, unter anderem durch Wärme und Kälte. Bemerkbar macht sich die Urtikaria durch plötzliches Auftreten von juckenden Quaddeln am ganzen Körper oder nur an einem Teil des Körpers. Die Quaddeln entstehen durch die Aktivierung eines speziellen Zelltyps, der Mastzelle. Die Mastzellen lösen, mit Hilfe von dem von ihnen produzierten Histamin, Entzündungen aus. Das Histamin lässt Flüssigkeit aus den Blutgefäßen in das Gewebe dringen.

Zur Diagnose einer Kälteurtikaria wurde ein Gerät entwickelt, mit dem es möglich ist, Hautareale mit verschiedenen Temperaturen zu stimulieren. Die einzustellenden Temperaturen sollten zwischen 4°C und 45°C liegen.

Zur Erzeugung der Temperatur wurde ein Peltierelement eingesetzt. Ein Peltierelement besteht aus zwei keramischen Platten, zwischen denen abwechselnd viele kleine Quader aus p- und n-dotiertem Halb­leiter­material eingelötet sind, von denen immer zwei unterschiedlich dotierte Quader miteinander verbunden sind. Dadurch entsteht eine Serien­schaltung aller Halbleiter. Abhängig von der zugefügten Stromstärke und Stromrichtung kühlt sich eine Platte ab, während die andere sich erwärmt. Der Strom pumpt Wärme von einer Seite auf die andere und erzeugt eine Temperaturdifferenz zwischen den Platten. Ein Peltierelement kann nur eine bestimmte Temperaturdifferenz zwischen den Keramikplatten erreichen. Je "kälter" die warme Seite bleibt, desto tiefere Temperaturen kann die kalte Seite erreichen.

Für die Temperaturregelung wurde ein PID-Regler der Firma Jumo verwendet. Die optimierte Regelung lässt die gewünschte Temperatur des Temperaturapplikators in weniger als 2 Minuten erreichen. Bei der Kon­struktion des Temperaturapplikators musste nicht nur die Handlichkeit, sondern auch die nötige und sehr wichtige Kühlung des Peltierelementes berücksichtigt werden. Die Übertragung der Temperatur von dem Peltierelement zur Haut geschieht über einen Aluminiumzylinder, der an der Hautkontaktfläche einen Durchmesser von 30mm hat. Da sich der Wärme-/Kälteaustausch über den Aluminiumzylinder in beide Richtungen vollzieht, wirkt sich die Körperwärme auch auf das Peltierelement aus. Damit sich nur die Körperwärme der Kontaktstelle des Aluminiumzylinders auf das Peltierelement auswirkt, ist am Boden des Anwendungsteils geschäumtes PVC eingearbeitet. Dieses PVC hat die Eigenschaft, wärme­isolierend zu wirken.

Plaque in herznahen Gefäßen bei Mäusen
"Organ-Phantomschlitten für das 7 Tesla - MRT"

K. Dannenberg, F. Zartnack

In Zusammenarbeit mit Dr. T. Dietrich; K. Atrott; PD Dr. E. Nagel; PD Dr. K. Graf, (Klinik für Innere Medizin und Kardiologie des Deutschen Herzzentrums Berlin, Direktor Prof. Dr. E. Fleck)

Um möglichst eine mikroskopnahe Auflösung von Herzen und Gefäßen einer Maus mittels eines 7 Tesla MRT (Gerätetyp: PharmaScan 70/16, Bruker, Ettlingen) zu erlangen, muss in diesem hochauflösenden MRT mit Sequenzen gemessen werden, die die zeitliche Zumutbarkeit einer in-vivo Untersuchung am Tier weit überschreiten würde.

Mit einer Auflösung von 79 μm x 79 μm in der Ebene und eine Schichtdicke von 109 μm bei 4 Sequenzen unterschiedlicher Gewichtungen, T1w ; T1w mit Fettunterdrückung; T2w und PDw werden Messzeiten von 16 Stunden erreicht. Aus diesem Grunde wurden die Organe explantiert und ex-vivo im MRT gemessen.

Um die Reproduzierbarkeit der 16 Stunden Messungen von verschiedenen Organen verschiedener Tiere zu erreichen, wurden in den Medizinisch-Technischen Laboren Phantomschlitten entwickelt und gebaut (Abb. 1).

Die zu untersuchenden Organe wurden in Agarose (1%) eingegossen.

Die Phantomschlitten sind so dimensioniert, dass sie genau in eine Mauskörperspule mit 38 mm Durchmesser des 7T MRT passen.

Auf den Zahn gefühlt

"Die künstliche Mundhöhle"

In Zusammenarbeit mit PD Dr. R. Seemann, K. Dierke (Zentrum f. Zahnmedizin, CVK)

Ein Forschungsprojekt im Zentrum für Zahnmedizin am Campus Virchow beschäftigt sich mit der Zahnkaries. Um Einflüsse, die zu Karies führen können, im Labor zu untersuchen, wurde eine künstliche Mündhöhle entwickelt, in der naturnahe Bedingungen für Langzeitversuche simuliert werden können.

Sie besteht aus einer Kammer, einem eigens entwickelten Computer-Programm und einer zugehörigen Steckerleiste. Die Kammerwand und der Deckel bestehen aus Makrolon. Im Unterteil der Kammer ist eine Kupferrohrschlange untergebracht, durch die ca. 40°C warmes Wasser strömt, um die künstliche Mundhöhle auf Körpertemperatur (37°C) zu halten. Die Bauteile im Unterteil sind mit einem Gießharz versiegelt, so dass die Kammer leicht gereinigt und desinfiziert werden kann. Dadurch sind alle den chemischen Einwirkungen ausgesetzten Bauteile sehr gut gegen Korrosion geschützt.

Die Zahnproben selbst sind auf einem Rad kreisförmig angeordnet und rotieren motorisch angetrieben. Der an einem Scharnier angebrachte Deckel kann für Bestückung oder Entnahme zurückgeklappt werden und ermöglicht so den leichten Zugriff auf das Innenleben. Um die Zuverlässigkeit der Einrichtung zu gewährleisten, ist der Motor mit dem zugehörigen Getriebe im Deckel untergebracht und bleibt so außerhalb des Einflussbereiches der Flüssigkeiten.

Die Übertragung der Antriebskraft erfolgt durch eine Magnetkupplung. Sie besteht aus jeweils zwei Paaren von Stabmagneten, die gekapselt in Kunststoffzylindern untergebracht sind. Bei zugeklapptem Deckel wird mittels Magnetkraft eine Kopplung hergestellt, wobei durch die Anordnung der Magnete die definierte Position des Rades im Unterteil wiederhergestellt wird. Die Genauigkeit ist ausreichend um Zahnproben gezielt auf bestimmte Positionen z.B. unterhalb der Tropfdüsen zu positionieren.

Im Deckel der Kammer befinden sich Luer-Lock-konnektierbare Durchlässe. Mittels entsprechender Pumpen kann man verschiedene Flüssigkeiten auf die Zahnproben tropfen lassen. Diese werden über eine Steckerleiste mit elektrischer Energie versorgt. Bis zu 10 Pumpen für unterschiedliche Medien sind anschließbar.

"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.

"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]

Getrennt und doch verbunden

"Gesicherte Versorgung"

In Zusammenarbeit mit
Dr. I. Grünwald, Deutsches Herzzentrum Berlin, (Direktor: Prof. Dr. R. Hetzer)

Das Herz ist ein muskuläres Hohlorgan, das den Körper und sich selbst durch rhythmische Kontraktionen mit Blut versorgt, indem es das Blut ventilgesteuert aus den Venen entnimmt und durch die Arterien in die Lunge und die peripheren Gefäße ausstößt.

Die Aorta ist die größte Schlagader des Körpers und wird bei der gezeigten Versuchsanordnung mit Hilfe des entwickelten Aortenadapters kanüliert.  
Das Aortenanschlussstück ermöglicht die Trennung des Kreislaufes zur Eigenversorgung des Herzens über die Herzkranzarterien vom eigentlichen Arbeitskreislauf des isolierten Schweineherzens.

Durch die Trennung der Kreisläufe ist es möglich, Belastungszustände des Herzens zu simulieren, ohne Einschränkungen der Sauerstoff-/Nährstoffversorgung des Herzens in Kauf nehmen zu müssen.

Mit den uns zur Verfügung stehenden feinwerktechnischen Technologien wurden die funktionellen Vorgaben der Aufgabenstellung in ein verlässlich arbeitendes Bauteil umgesetzt.

Die Perfusionsbedingungen am isolierten Schweineherzen konnten mit dieser Methode signifikant verbessert werden.