Search

Fragestellung: Derzeitige Oberflächenersatzimplantate des lateralen distalen Humerus ersetzen das Capitulum humeri nicht vollständig. Mit Hilfe einer standardisierten morphologischen Analyse des Ellenbogens wurde ein neues Implantat entwickelt, das an die Anatomie des einzelnen Patienten besser[zum vollständigen Text gelangen Sie über die oben angegebene URL], Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2015)

In der vorliegenden Arbeit wurde ein monolithischer Manipulator entwickelt, dessen Fertigung mit Hilfe generativer Verfahren realisiert wird. Sein Aufbau beruht auf einer Doppelhelix, die mit Konturen versehen ist, um eine präzise Steuerung und eine variable Steifigkeit zu realisieren. Zur Analyse auftretender Reibeffekte erfolgen die Umsetzung verschiedener Reibmodelle und die Inbetriebnahme eines Prüfstandes. Zusätzlich entstand eine Entwicklungsumgebung zur schnellen Visualisierung und Untersuchung verschiedener Manipulatorkonzepte. In this work a monolithic manipulator manufactured by selective laser sintering is developed. The proposed design is based on a double helical structure with contours in between the helical windings. These contours provide for a precise motion and a variable stiffness during surgery. In order to gain further understanding of effects caused by friction, different friction models are implemented. A test rig is taken into operation for validation. Furthermore, a development tool is designed to visualize and analyze future concepts during their development process.

Zur antimikrobiellen Ausstattung von Kunststoffen wird nanoskaliges, photokatalytisch aktives Titandioxid in verschiedene Polymermatrices eingearbeitet. Das Ziel der Arbeit ist die Identifizierung einer Matrix-Füllstoff-Kombination, die sowohl einen hohen antimikrobiellen Effekt als auch eine Langzeitbeständigkeit gegenüber Alterungseffekten aufweist. Zur Optimierung der Wirksamkeit werden des Weiteren die Verarbeitungsparameter, die Aktivierungsdauer, die UV-Quelle und die Obeflächenstrukturen variiert. In light of the photocatalytic properties of titanium dioxide (TiO2) in this study TiO2 nano particles are incorporated into various polymers in order to investigate an optimal matrix-filler combination that shows both, a high antimicrobial effect and a a long term stability against ageing. To futher optimize the antimicrobial surface effect vaious paraemters such as in processing, irradiation time, UV-source and surface structures were experimentally varied.

Hämatogene, autologe Wachstumsfaktoren aus Thrombozyten stellen ein vielversprechendes neues Konzept für eine effektive Wundversorgung dar. Hierfür wird ein System zur optimierten Gewinnung von Thrombozytenkonzentrat aus patienteneigenem Vollblut sowie ein Hand-Applikator zur Verabreichung des Konzentrats auf Wundflächen entwickelt. Abschließend wird die biologische Wirksamkeit in vitro evaluiert. Hierbei stehen der Einfluss der Prozessschritte auf den Aktivierungszustand der Thrombozyten sowie der proliferationsfördernde Effekt der Konzentrate im Fokus. Hematogenous, autologous platelet derived growth factors represent a promising new wound care concept. Optimized preparation of platelet concentrate from patient's whole blood and an innovative hand-held device for application to wound surfaces is developed. Subsequently the biological activity is evaluated in vitro. Correlations between preparation process, state of platelet activation and the proliferation-promoting effect of the concentrates are worked out.

In dieser Arbeit wird ein optisches Messsystem vorgestellt, mit welchem man während eines MKG-Chirurgischen Eingriffs Strecken und Winkel am Schädel Patienten vermessen kann. Dabei werden keine präoperativ erstellten CT-Daten des Patienten benötigt. Das vorgestellte Konzept unterstützt den Chirurgen durchgängig von der Planung über den Eingriff bis hin zur Kontrolle des Eingriffs. Dabei werden die Besonderheiten der unterschiedlichen Operationstypen in der MGK-Chirurgie berücksichtigt. In this thesis an optical measurement system for the craniofacial surgery is presented. With this system, the surgeon can measure distances and angels at the patient’s skull during the intervention without using CT-Data. Therefor an approach was developed which includes the planning, the intervention and the examination. The different types of surgery were considered.

Das Crash- und Bruchverhalten wird für unverstärkte und glasfaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe mit dynamischen Werkstoffversuchen untersucht. Der Fokus der Untersuchung liegt auf der Anisotropie, der Dehnratenabhängigkeit, der Belastungsabhängigkeit und deren Abhängigkeit vom Faseranteil. Für die Simulation werden Werkstoffmodelle ausgewählt, mit einem Bruchmodell erweitert und eine Parameteridentifikation entwickelt. Die Ergebnisse auf Werkstoffebene werden mithilfe von Komponenten- und Gesamtfahrzeugversuchen für den Fußgängerschutz validiert. The crash and fracture behaviour of unreinforced and glass-fibre reinforced thermoplastic polymers is analysed with dynamic material tests. The focus of the investigation is the anisotropy, the strain rate dependency, the load dependency and their dependency on the fibre content. For the simulation material models are chosen and extended with a fracture model and a parameter identification is developed. The results on the material level are validated for pedestrian protection with component and vehicle tests.

Die Dissertation beschreibt die Entwicklung eines kardialen Implantates mittels Tissue Engineering zur Therapie kardiomyodegenerativer Erkrankungen unter Verwendung humaner mesenchymaler Stammzellen aus dem Nabelschnurgewebe (UCMSC). In diesem Zusammenhang konnte die Besiedelbarkeit von Zellträgern aus titanisierten expandierten Polytetrafluorethylen unter statischen Bedingungen sowie die Stabilität der zellulären Beschichtung nach mechanischer Beanspruchung gezeigt werden. Zur Simulation der mechanischen Beanspruchung von besiedelten Zellträgern am pulsierenden Herzen, wurde ein pulsatiler Bioreaktor entwickelt. Zudem wurde die kardiomyogene Differenzierbarkeit von UCMSC anhand der Expression spezifischer kardialer Proteine nachgewiesen, wodurch insgesamt eine Strategie zur Herstellung eines funktionellen kardialen Implantates etabliert wurde. The thesis describes the development of a cardiac implant using tissue engineering with human mesenchymal stem cells from umbilical cord tissue (UCMSC) for therapy of cardiomyodegenerative diseases. Seeding efficiency of titanized expanded polytetrafluoroethylene scaffolds under static conditions as well as mechanical integrity of tissue engineered constructs after mechanical stress were shown. A pulsatile bioreactor mimicking the myocardial contraction was developed to analyse seeded scaffolds. In addition, cardiac differentiation of UCMSC was demonstrated by expression of specific cardiac proteins, thus an overall strategy for creating a functional cardiac implant was established.

Es wurde eine Methodik zur Bestimmung der mechanischen Steifigkeit des Sprunggelenks nach Anwendung verschiedener Operationstechniken entwickelt, und experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Operationstechniken unter Verwendung von im Rahmen der Arbeit entwickelten Prototypen von Implantaten mit der Möglichkeit zur Kompression des Gelenks wurden mit etablierten Operationstechniken verglichen. Des Weiteren wurden FE-Untersuchungen zu ausgewählten Belastungssituationen durchgeführt. Die Operationstechniken unter Verwendung der Implantatprototypen zeigten sich aus biomechanischer Sicht den etablierten Operationsmethoden durch eine höhere mechanische Steifigkeit überlegen. A novel method for determining the mechanical stability of the ankle had been developed and different operation techniques have been examined with this method. New concepts of intramedullary nails have been tested in this investigation, too. Furtheron Examinations using the FE-method have been performed regarding primary mechanical stability.The new implant concepts had the best biomechanical performance due to the enhanced stiffness

Mit unidirektional endlosfaserverstärkten Elastomeren (FVE) ist es möglich, aufgrund ihrer stark orthotropen mechanischen Eigenschaften und Flexibilität der Matrix, maßgeschneiderte Werkstoffe für formvariable Strukturflächen zu erzeugen. Das Werkstoffverhalten erfordert einen höheren Aufwand in der Materialcharakterisierung als bei üblichen Faserverbunden. Die mechanischen und thermo-elastischen Kennwerte von FVE wurden in Simulationen und Tests charakterisiert und die besonderen Eigenschaften z.B. hinsichtlich der extremen Sensitivität auf Faserwinkelabweichungen, nichtlinearen und inkompressiblen Werkstoffverhalten der Elastomere herausgearbeitet. Zusätzlich wird eine Messmethodik vorgestellt, welche in Probengeometrie, Testaufbau und berührungslosem Dehnungsmessen diesen Werkstoffen besonders gerecht wird. Due to the highly orthotropic properties and the flexibility of the matrix material unidirectional continous fibre reinforced elastomers (FRE) are possible tailored materials for designing shape morphing structural surfaces. The material behavior demands a higher effort in material characterization compared to conventional fibre composites. The mechanical and thermo-elastic properties of (FRE) were investigated via simulations and tests with respect to the specific properties like the strong sensitivity about fibre misalignments and the nonlinear and incompressible material behavior of the elastomers. Additionally a measurement technique is presented, which defines specimen dimensions, test set-up and contactless strain measurement especially for this type of materials.

Mit Hilfe nicht toxischer Schäumverfahren wurden dreidimensionale offenporige Strukturen aus Polystyrol hergestellt. Die Oberflächen der Schaumstrukturen wurden durch Plasma hydrophilisiert. Der Einfluss der Oberflächenmodifikation auf die Benetzbarkeit der Schaumstrukturen wurde untersucht. Mit den hydrophilen Schäumen wurden umfangreiche Untersuchungen zu deren Besiedelbarkeit mit Säugetierzellen durchgeführt. Es wurde insbesondere das Genexpressionsspektrum von Fettzellen bei dreidimensionaler Kultivierung betrachtet. Es konnte gezeigt werden, dass bei dreidimensionaler Kultivierung für Fett typische Gene erhöht exprimiert werden. Die offenporigen Schäume aus Polystyrol wurden mit Methoden der Kunststoffverarbeitung hergestellt und können auch in großen Stückzahlen kostengünstig gefertigt werden. Damit kann erstmalig dreidimensionale Zellkultur in großem Umfang für die Testung pharmazeutischer Wirkstoffe eingesetzt werden. Three dimensional open porous foams have been produced by non-toxic foam processing. The surfaces of foam structures have been hydrophilized by plasma treatment. The influence of surface modification on wettability of foam structures has been investigated. Hydrophilic foams have been seeded with mammal cells. Gene expression of three dimensional cultured fat cells has been investigated. As a result expression of fat specific genes has been higher in three dimensional cell culture. Open porous foams have been made of polystyrene by use of polymer processing techniques and can be produced cost efficient in high quantities. Thus for the first time three dimensional cell culture can be used in high amounts for testing of pharmaceutical reagents.

Aufgrund des stets steigenden Wettbewerbs sind Spritzgießverarbeiter gezwungen, die Reproduzierbarkeit des Spritzgießprozesses kontinuierlich zu erhöhen. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Ansätze zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit des Spritzgießprozesses vorgestellt. Um die Schwankung der in das Plastifiziersystem zuzuführenden Energie zu minimieren, soll die Dissipationsenergie während der Plastifizierphase geregelt werden. Die Schneckenantriebsleistung und die Plastifizierzeit werden nach den ermittelten Mustern separat geregelt, wodurch die Dissipationsenergie konstant bleibt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die Erhöhung der Reproduzierbarkeit durch Konstanthaltung der Dissipationsenergie erzielt werden kann. Darüber hinaus wird eine von Standardmaschinen adaptierbare Spritzeinheit für das Mikrospritzgießen entwickelt. Die Entwicklung der Mikro- Spritzeinheit basiert auf dem Prinzip "Schneckenvorplastifizierung und Kolbeneinspritzung". Aufgrund der Besonderheit der Adaptierbarkeit ist es erforderlich, dass eine Rückstromsperre im Einspritzkolben integriert werden soll. Durch eine neuartige Rückstromsperre kann der Durchmesser des Einspritzkolbens auf 6,5 mm reduziert werden, wodurch die Einspritzgenauigkeit deutlich erhöht wird. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass mit der entwickelten Mikrospritzeinheit eine hohe Reproduzierbarkeit für die Herstellung von Mikrobauteilen erzielt werden kann. Plastics processors are forced to continually increase the reproducibility of the injection molding process due to the permanently increasing competition. Two approaches are introduced in this work to increase the reproducibility of the injection molding. The dissipation energy should be controlled in order to reduce the fluctuation of system energy. The drive power of the screw and the plasticizing time are separately controlled according to the samples. The dissipation energy is consequently constant. The result of investigation shows, that the increase of the reproducibility can be achieved by constant keeping of the dissipation energy. In addition, an injection unit which is on standard machine adaptable was developed for the micro injection molding. The development of a micro injection unit bases on the principle "screw preplasticizing and piston injection". The diameter of the injector piston is reduced to 6.5 mm because of the novel non-return valve, which significantly increases the injection precision. The experiment shows that a high reproducibility can be achieved for the manufacture of micro components with the developed micro injection unit.

Die effiziente Gewinnung von prozessrelevanten Daten ist eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung und Optimierung biotechnischer Produktionsprozesse. Durch konstruktive Veränderungen eines magnetisch-induktiv angetriebenen Rührkesselreaktorensystems im Millilitermaßstab und die Verfügbarmachung optischer Sensorik zur online-Messung von pH- und Sauerstoffkonzentrationen wurden die Voraussetzungen zur individuellen pH-Kontrolle in 48 Parallelreaktoren geschaffen. An Beispielprozessen mit Escherichia coli und Saccharomyces cerevisiae konnte dieses Werkzeug zur parallelen Bioprozessentwicklung unter kontrollierten technischen Reaktionsbedingungen experimentell validiert werden. One of the most sophisticated challenges in the development and optimisation of biotechnological production processes is the efficient extraction of relevant process data. By advancing the design of a magnetic-inductively driven stirred-tank bioreactor system on a millilitre-scale and the application of an optical sensor technology for the measurement of pH and dissolved oxygen, an individual pH-control of 48 parallel bioreactors was achieved. This tool for parallel bioprocess development under controlled technical conditions was validated with exemplary processes making use of Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein in vitro-Untersuchungskonzept zur Untersuchung von oberflächenmodifizierten TiAl6V4-Implantaten vorgestellt. Dazu werden verschiedene Zellkulturmodelle entwickelt und hinsichtlich ihrer Aussagekraft auf die Entzündungsinitialisierung untersucht. Zur Erfassung der Entzündungsantwort wird ein umfangreiches Repertoire an biologischen Parametern untersucht. Es wird des Weiteren ein neuer Ansatz zur Ermittlung der Oberflächenkompatibilität vorgestellt, der auf der Annahme beruht, dass bestimmte Rauheitsdimensionen der Implantatoberflächen die Zellreaktion beeinflussen. Diese oberflächenanalytischen Ergebnisse werden vor- und in vitro-Versuchen gegenübergestellt. Das Prüfmodell wird sowohl an unbeschichteten als auch protein- und hydroxylapatitbeschichteten Proben erfolgreich angewandt und erweitert damit gängige in vitro-Biokompatibilitätstests. An in vitro concept for the examination of surface-modified implants from TiAl6V4 titanium alloy was introduced within the scope of this dissertation. In this connection, various human cell culture models were developed and examined with regard to their significance for inflammation initialisation. Finding of the inflammation response requires the examination of an extensive repertoire of biological parameters. In addition, a new attempt for determination of the surface compatibility is presented, which is based on the assumption that certain roughness dimensions of the implant surfaces affect the cell reaction. These surface-analytical results are compared in advance and in vitro examinations. The test model is successfully used both on uncoated and protein and hydroxylapatite-coated samples and, therefore, extends established in vitro biocompatibility investigations.

Zur Optimierung der Bioprozessentwicklung wurde ein neuartiger Bioreaktor im mL-Maßstab mit einem Gas-induzierenden Rührsystem entwickelt. Der mL-Bioreaktor ist durch Sauerstoffübergangskoeffizienten (kLa) von über 0,4 s-1 charakterisiert. Manuell gefertigte Rührorgane sind durch Abweichungen von unter 7 % im kLa-Wert charakterisiert. Bis zu 48 mL-Bioreaktoren können parallel in einem Reaktionsblock betrieben werden. Der Reaktionsblock beinhaltet den parallelen Antrieb und stellt die Temperierung der Reaktionsmedien über Wärmetauscher sicher. Eine entwickelte Sterilgasabdeckung ermöglicht das zentrale Einspeisen von sterilem Prozessgas und die Aufrechterhaltung monoseptischer Bedingungen. Mit einem Laborroboter werden der pH-geregelte Zulaufbetrieb und eine automatisierte Probenahme realisiert. Ein integrierter Robotarm ermöglicht die Durchführung von automatisierter atline Analytik für pH-Wert und optische Dichte in einem integrierten Mikrotiterplatten-Photometer. In einem parallelen pH-geregelten Zulaufverfahren mit intermittierender Zudosierung wurde die Biotrockenmasseentwicklung im Parallelansatz durch Abweichungen von unter 5,3 % bei einer Biotrockenmassekonzentration von 9,5 g L-1 charakterisiert. Das Wachstum von E. coli in einem pH-geregelten Zulaufverfahren im mL-Bioreaktor entsprach bezüglich der Wachstumsrate, dem Biomasseertrag und der Entwicklung der Biotrockenmasse einer Referenzkultivierung im Laborrührkesselreaktor. Die bislang maximal erreichte Biotrockenmassekonzentration lag bei 24 g L-1 in einer Prozesszeit von 21 Stunden. In order to optimize bioprocess development, a novel mL-scale bioreactor was developed with a gas-inducing impeller. The mL-scale bioreactor reaches oxygen transfer coefficients (kLa) of more than 0.4 s-1. Manually machined impellers are characterized by less than 7 % deviation in oxygen transfer. Up to 48 mL-bioreactors can be run in parallel in a reaction block which provides the parallel drive and ensures the heating of the reaction media via heat exchangers. A developed gas cover enables the supply of sterile gas from a single inlet and maintenance of monoseptic conditions. A liquid handling system enables automatic atline analytics for pH and optical density in an integrated microtiter plate reader. Parallel cultivations with pH control and intermittent feeding were characterized by deviations of less than 5.3 % in biomass development at a dry cell mass of 9.5 g L-1. Growth of E. coli in pH controlled fed-batch cultivations was shown to be equivalent to a reference cultivation at lab-scale regarding growth rate, biomass yield and biomass development. A maximum dry cell mass of 24 g L-1 was reached in 21 hours process time.

Einleitung: Das proximale Femur ist eine häufige Lokalisation maligner Knochentumoren. Beim proximalen Femurersatz durch eine defektüberbrückende Tumorendoprothese ist die aseptische Prothesenlockerung zur Hauptversagensursache avanciert. Mitverantwortlich dafür ist das sog. Stress Shielding durch veränderte Spannungsverhältnisse des Knochenlagers. Zielsetzung: Ziel war es, anhand einer biomechanischen Laboruntersuchung den Einfluss von Material und Länge des intramedullären Verankerungsstieles hinsichtlich einer möglichst physiologischen Krafteinleitung in das Restfemur bei verschiedenen Resektionshöhen zu bestimmen. Material und Methoden: Nach Auswertung der Daten von Tumorpatienten der Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie der TU München sollten Rundschäfte der Längen 80 mm, 120 mm und 160 mm aus CoCrMo, TiAl4V6 und Kohlenstofffaserverbundwerkstoff (CFK) jeweils in Resektionshöhen von 80 mm, 160 mm und 240 mm distal des Femurkopfzentrums implantiert werden. Als Versuchsknochen wurden nach mechanischer Prüfung Composite Femora der Fa. Pacific Research Labs. verwendet. Um eine praxisrelevante Lastsituation zu erhalten, wurde ein Computerprogramm zur Berechnung der Belastung des gesamten Femurs während des Ganges entwickelt. Die maximale Knochenbelastung liegt kurz nach dem Aufsetzen der Ferse.Sie wurde als zu verwendende ’Standardbelastung’ festgelegt und durch eine geeignete Versuchsanordnung auf den Implantat-Knochen-Verbund übertragen. Mit Hilfe der Photoelastischen Dehnungsmessung wurden die Knochendehnungen im unresezierten Zustand und anschließend in den verschiedenen Resektionshöhen bestimmt und verglichen, wobei der versteifende Einfluss der spannungsoptischen Kunststoffschicht vorher bestimmt wurde. Die gemessenen Hauptdehnungsdifferenzen (HDD) wurden hinsichtlich der im Vergleich zum unresezierten Zustand prozentualen Verringerung der HDD ausgewertet. Ergebnisse: Direkt unterhalb der Osteotomie zeigte sich vom Implantattyp ein weitgehend unabhängiges, ausgeprägtes stress shielding, was auf ein grundsätzliches Problem in diesem Bereich schließen lässt. Im weiteren Diaphysenverlauf zeigte sich eine mit der Länge und der Steifigkeit der Schäfte zunehmendes Reduktion der Knochendehnungen, die sich mit steigender Resektionshöhe stärker auswirkte. Dabei war die Länge des Implantates mit Unterschieden bis 54 % Reduktion der HDD der entscheidende Faktor, das Material spielte mit Unterschieden bis maximal 19 % HDD-Reduktion eine geringere Rolle. Außerdem konnten Spannungsspitzen in verschiedenen Regionen lokalisiert werden. Distal der Implantate war der Spannungszustand unverändert zum intakten Femur. Folgerungen und Ausblicke: Schaftlängen über 120mm sollten soweit möglich nicht verwendet werden. Als Material ist Titan der Vorzug zu geben. Ob kürzere Stiele und andere Materialien zu besseren Langzeitresultaten führen könnten, muss erst durch weiterführende Untersuchungen überprüft werden, für die mit dieser Arbeit die Grundlage gelegt wurde. Introduction: The proximal femur is a frequent localisation of maligne bone tumors. Aseptic loosening has become the major complication in proximal femoral replacement by tumorendoprosthesis. Stress shielding in bone tissue is a factor causing aseptic loosening. Objective: The purpose of this biomechanic lab research was to evaluate the influence of intramedullary stem length and material on load transmission and strain distribution into the femoral bone in different resection heights. Material and methods: After analysing tumor patient data of the Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie der TU München, intramedullary round stems with a length of 80 mm, 120 mm und 160 mm made from CoCrMo, TiAl4V6 and a carbon fibre reinforced epoxy material(CFK) were consecutively implantet in resection heights of 80 mm, 160 mm und 240 mm distally the femoral head. Composite Femora by Pacific Research Labs. were used after mechanical validation. To obtain a relevant load situation, a PC program to calculate the loads along the whole femur during gait cycle was developed. Maximum bone loads occur shortly after heel strike. This load situation was transmitted by a frame construction to the implant/bone compound. Bone surface strains mere measured by photoelastic coating technique, whereby the reinforcing effect of the coating was evaluated before. Strains were first measured in the intact femurs and then in the femurs with the implants after resection in the different heights. We analysed the relative (percental) reduction of the measured principal strain differences (PSD) of the resected femurs compared to the intact ones. Results: Directly underneath the osteotomy an area of strong stress shielding was seen independent to the implant type. This causes perhaps general problems in this region. Along the diaphysis, a reduction of bone strains correlating to stem length and stiffness was seen, whereby this effect was mounting with increasing resection height. Stem length was the more important factor with a maximum difference in PSD reduction of 54% between stems made of the same material, compared to the material effect, which caused max. 19% difference in PSD reduction. Furthermore, strain peaks could be localized. Distally the implant stems, strains were the same like on the intact femur. Conclusions: Stem length should not exceed 120mm if possible. Titanium alloys should be preferred. Possibly, shorter stems and new materials like CFK could lead to better long term results, but this has to be evaluated in further studies. This study builds a base for such researches concerning optimisation of proximal femoral replacement.