Versuchsaufbauten für spezielle Fragestellungen

Für experiementelle Forschungsaufgaben entwirft und baut das CWW komplexe Versuchsaufbauten.

Dabei kommen die vefügbaren Arbeisttechnologien zum Einsatz und werden mit mechanischen Baugruppen, Sensoren, Messtechnik und Softwarelösungen kombiniert.

Grundlage können sowohl konkrete Vorstellungen einer Versuchsanordnung sein oder eine formulierte Hypothese.

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Beispielprojekte für Versuchsaufbauten

Vitamin E und Prostaglandin-Synthese

Doppelseitig perfundierbare Messkammer (einseitig eingefärbt)

Messbarer Einfluss von Tokopherol auf die Prostaglandinsynthese
Einfluss von Vitamin E (alpha Tokopherol) auf die Prostaglandinsynthese des humanen Amnionepithels

K. Dannenberg

In Zusammenarbeit mit Dr. J. Beninde
(Klinik für Pädiatrie mit Schw. Neurologie, CVK)

Es soll untersucht werden, ob ein messbarer Einfluss von Tokopherol auf die Prostaglandinsynthese des humanen Amnionepithels besteht.

Hierfür soll ein System etabliert werden, in dem natives humanes Amnion­epithel untersucht werden kann.

Diese Methode lässt eine Beurteilung der Physiologie der einzelnen Zelltypen auf beiden Seiten (Abb.1) der Membran, bzw. des Amnion­epithels, zu.

Zu diesem Zweck wurde eine doppelseitig perfundierbare Messkammer konstruiert und gebaut, in die das Amnionepithel eingespannt werden kann.

Die gebaute Messkammer ermöglicht es, die epitheliale und die mesen­chymale Seite des Epithels getrennt zu untersuchen.

Der Essentielle Tremor

Drahtschlinge mit Nachführringen unterschiedlicher Größe
Metallplatte mit unterschiedlich großen Löchern und Kontaktfühler

Ursachenforschung beim Essentiellen Tremor (ET)
Quantifizierung von Tremor

B. Conrad, R. Paulat

In Zusammenarbeit mit Prof. Dr. M. Schülke
(Klinik für Pädiatrie m. S. Neurologie Charité, CVK)

Der Essentielle Tremor (ET) ist eine häufige neurologische Störung, deren genaue Ursache bis heute nicht geklärt ist. Bislang wurden zwei Genorte für autosomal dominant vererbten ET gefunden: ETM1 auf Chromosom 3q13 (1997) und ETM2 in einem 2,18 cM Intervall auf Chromosom 2p22-25 (1998). Das betroffene Gen ist aber noch nicht bekannt. Weitere, noch unbekannte Genorte für essentiellen Tremor werden vermutet.

In der neuropädiatrischen Sprechstunde der Charité wurde eine Familie mit mehreren betroffenen Familienmitgliedern vorstellig, die einen essentiellen Tremor aufwiesen, sonst aber gesund waren. In dieser Familie liegt ein autosomal rezessiver oder X-chromosomal rezessiver Erbgang zugrunde. Ein Stammbaum der Familie wurde erstellt und DNA-Proben eines Großteils der Familie bereits gewonnen.

Zur Quantifizierung von Tremor wurden in Zusammenarbeit mit den MTL zwei Apparaturen entwickelt: Die Probanden werden aufgefordert, einen Stab mit einer Metallspitze für jeweils 30 Sekunden in unterschiedlich große Löcher in einer Metallplatte zu halten. Jeder Kontakt wird elektronisch registriert. Anschließend werden die Probanden gebeten, 2 Metallringe unterschiedlicher Größe entlang einer Draht­schlinge zu führen (Abb.1). Auch hier wird jeder Kontakt elektronisch registriert.

Beide Apparaturen wurden bislang an 140 gesunden Kindern und Jugendlichen einer Berliner Gesamtschule getestet. Erste altersbezogene Normwerte wurden so etabliert. Mädchen berühren die Ränder der Löcher in der Metallplatte signifikant seltener als gleichaltrige Jungen.

Die Apparaturen wurden bereits zur klinischen Verlaufskontrolle bei Tremorpatienten in der neuropädiatrischen Poliklinik eingesetzt.

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.

2D-Elektrophorese zur Aufklärung mitochondrialer Erkrankungen

Setup für 2D-Elektrophorese
Anzeige und Eingabemöglichkeit für die Denaturierungstemperatur und der Auftragegeschwindigkeit
Verfahrplattform mit Heizung und Applikationskanüle

Aufklärung der Pathophysiologie neuropädiatrischer, mitochondrialer Erkrankungen Mito-Variabilität"

R. Paulat, B. Conrad, D. Heinze
In Zusammenarbeit mit Prof. Dr. M. Schülke-Gerstenfeld
(Klinik für Pädiatrie mit Schwerpunkt Neurologie, CVK)

Für die Klinik der Pädiatrie mit Schwerpunkt Neurologie soll eine 2D-Elektrophorese aufgebaut werden, mit der eine Eiweißlösung auf einer Oberfläche linear aufgetragen werden kann. Die zu konstruierende Heizung soll die durch eine Kanüle strömenden Proteine auf 97°C heizen. Die Eiweißlösung wird dabei bis zu einem maximalen Volumenstrom von 10ml/h durch die Kanüle gepumpt. Die auf einer Verfahrbühne befestigte Heizung wird in einer variablen Geschwindigkeit zwischen 29mm/h und 578mm/h entlang einer Strecke von 29cm bewegt.

Die Elektrophorese ist eine häufig angewandte Methode in der Gentechnik. Die Molekülgemische, meist Protein- oder Nuklein­säure­gemische werden einem elektrischen Spannungsfeld ausgesetzt. Die einzelnen Moleküle bewegen sich in diesem Feld aufgrund ihrer elektrischen Ladung und ihrer Größe unterschiedlich schnell und werden dadurch getrennt.
Eine große Schwierigkeit der 2D-Elektrophorese besteht in der schlechten Auftrennung von Membranproteinen. Mit der konzipierten Anlage soll dieses Problem auf eine andere als die bisher übliche Weise gelöst werden.
In der ersten Dimension werden die Proteine nun durch Elution (Austreiben adsorbierter Stoffe aus einem Adsorptionsmittel) getrennt.

In der zweiten Dimension ist ein Gerät erforderlich, welche die eluierten Proteine langsam entlang der Oberkante eines Gels aufbringt. Das Aufbringen muss steuerbar, sehr langsam und ohne Verwirbelungen geschehen.
Darüber hinaus muss das Proteingemisch zur Denaturierung, kurz vor dem Auf­tragen auf das Gel, auf ca. 90 Grad C erhitzt werden. Die Erhitzung wird durch die oben genannte elektronisch gesteuerte Heizspule erreicht. Die Programmierung der Heizung kann für die jeweilige Anwendung angepasst werden.

Im verwendeten JUMO-Regler werden alle Parameter nach dem Start automatisch aktiviert. Voreingestellt sind Regelparameter mit pro­portionalen, integralen und differenziellen Komponenten.
Das Auftragen der Proteinlösung auf die Gel-Oberfläche erfolgt mit Hilfe eines durch eine steuerbaren Motor angetriebenen Schneckentriebes.

Mechanisches Prüfsystem für Gelenkknorpel

Mechanisches Prüfsystem für Gelenkknorpel
Indentation-Versuch des Gelenkknorpels einer femoralen Kondyle im Regeneratbereich (autologer osteochondraler Transfer)
Software zur Anzeige der gemessenen Kraft (rosa Linie) und des Weges (blaue Linie) mit Auswertediagramm (unten) und Ausgabe des gesuchten mechanischen Materialparameters.

Regeneration oviner osteochondraler Defekte
"Das HPMT (High-Precision Material Testing) Gerät zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Gelenkknorpel im Knie"

B. Conrad, K. Dannenberg, U. Blücher, R. Paulat

In Zusammenarbeit mit Dipl.-Ing. R. Kleemann, Cand.-Ing. A. Schill, Prof. G. Duda
(Julius Wolff Institut, CVK)

Um einen drohenden Gelenkersatz so lange wie möglich hinaus­zuzögern, gibt es zurzeit unterschiedliche Therapieansätze in der Regeneration oder Reparation eines Knorpelschadens. Vielversprechend sind z.B. autologe osteochondrale Transplantate und die Autologe-Chondrozyten-Transplantation. Trotz der vielfältigen Therapie­möglich­keiten für Knorpelschäden sind die Regenerate hinsichtlich der bio­mecha7nischen Eigenschaften dem intakten, hyalinen Knorpel deutlich unterlegen. Die Mehrzahl der Studien befasst sich dabei mit den biologischen Einflussfaktoren der Regeneratheilung. Der Einfluss des mechanischen Stimulus in der Belastungssituation des Defekts und der mechanischen Parameter des Transplantates auf den Heilungsprozess bleiben zumeist unberücksichtigt.

Die Untersuchung des Fortschrittes der Regeneratsteifigkeit im Verlauf der Heilung unterschiedlich behandelter osteochondraler Defekte erfordert ein entsprechendes Materialprüfsystem mit hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit. Das HPMT-Gerät wurde entwickelt, um die mechanischen Parameter von Gelenkknorpel und deren Regeneration zu bestimmen.


Das HPMT-Gerät kann mittels uniaxialen Belastungen und Beanspruchungen über Retardations- und Relaxationsversuche biphasische Eigenschaften weicher Gewebe, vornehmlich von Gelenkknorpel messen. Materialparameter wie Elastizitätsmodul Es, Aggregatmodul HA und Poissonzahl können ermittelt werden. Die Bestimmung dieser Größen erfolgt uniaxial über die allgemein etablierten mechanischen Testprinzipien indentation, confined compression oder unconfined compression. Dabei können wiederum zwei Versuchstypen gefahren werden; a) weggesteuert durch Verstellen einer Mikrometerschraube bei Simultanmessung der Kraft und b) kraftgesteuert durch Auflegen von Gewichten (max: 200g) bei Simultanmessung des Weges. Ein Schrittmotorantrieb für die Mikrometerschraube mit passender Steuerungssoftware erlaubt die Voreinstellung von Verfahrwegen und stellt somit eine Zunahme der Messpräzision dar. Eine eigens in C++ geschriebene Auswertesoftware ermöglicht eine schnelle Bestimmung der gesuchten Materialeigenschaften aus den Rohdaten.

Infos:

Kniearthrose: Mechanische Knorpelqualität und ICRS Score

Biomechanik und Mechanobiologie in der Regeneration osteochondraler Defekte im Kniegelenk

Diagnose für Kälteurtikaria

Diagnose für Kälteurtikaria
Temperatureinleitung am Patientenunterarm
Kontaktfläche des Aluminiumzylinders im Temperaturapplikator
Diagnose für Kälteurtikaria

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.

Die Verbeugung vor dem Knie

Grafik des Berechnungsmodells mit Muskelkräften
Darstellung des Prüfstandes
Präpariertes Kniegelenk
DruckmessfolieIn im patellofemoralen Gelenk

In vitro - Knieprüfstand

"Belastungsverteilung im patello-femoralen Gelenk"

In Zusammenarbeit mit Dipl.-Ing. C. König, Dr. P. Schöttle, Dipl.-Ing. J.-E. Hoffmann, Dr. B. Taylor, Prof. G. Duda, Dr. M. Heller (Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie, CVK)

Ein Forschungsgebiet des Centrums für Muskuloskeletale Chirurgie (CMSC) der Charité sind die muskuloskeletalen Belastungen in den unteren Extremitäten. In vorangegangenen Studien wurde ein Berechnungsmodell entwickelt und validiert, mit dem die Muskel- und Gelenkkontaktkräfte im Bein bei verschiedenen Aktivitäten bestimmt werden können [1,2].

Um die Interaktionen zwischen den verschiedenen Strukturen des Kniegelenks besser zu verstehen und chirurgische Eingriffe zu optimieren, wurde am CMSC ein mechanischer Prüfaufbau entwickelt und im CWW gebaut, mit dem die beim Laufen und Treppensteigen wirkenden Muskelkräfte aufgebracht werden können. Im Prüfstand wird das Knie befestigt und mittels Seilzügen Muskelkräfte appliziert, welche beim Laufen und Treppensteigen wirken.

Im Experiment kann so die Verteilung der Belastungen auf die verschiedenen Strukturen des Knies während Alltagsaktivitäten genauer untersucht werden.

In einer ersten Studie wurde die Belastungsverteilung im patellofemoralen Gelenk bei verschiedenen Aktivitäten gemessen. In das patellofemorale Gelenk eingebrachte Druckmessfolie dienen zur Messung der Belastungsverteilung. Die am präpariertes Kniegelenk mit an den Muskelansätzen angebrachten Extensionshülsen dienen zur Übertragung der Muskelkräfte sowie die optischen Markern zur Erfassung der Bewegung.

Kniegelenke wurden dazu in eine servo-hydraulische Prüfmaschine (Instron 8871, Instron Wolpert GmbH, Darmstadt, Germany) eingespannt und die physiologischen Muskelkräfte durch 4 unabhängig gesteuerte servo-elektrische Aktuatoren (PowerCube Drive Unit 70-100, AMTEC GmbH, Berlin) aufgebracht. Die 3D Bewegung von Tibia, Femur und Patella wurde durch ein optisches Messsystem (Vicon Peak, Oxford, UK) und die Drücke an der Kniescheibe durch eine Druckmessfolie (Tekscan, Boston, USA) gemessen.

Literatur
[1] Heller et al. (2001) Journal of Biomechanics
[2] Taylor et al. (2004) Journal of Orthopedic Research

Ansprechpartner

Marcus Eweleit

Elektronik / Elektrotechnischer Gerätebau

Michael Schebsdat

Feinmechanische Werkstatt

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