Die Bionik erforscht biologische Konstruktions- und Entwicklungsprinzipien und überträgt sie auf das Design medizinischer Produkte. Obwohl allein in Deutschland jedes Jahr ca. 1 Millionen Zahnimplantate gesetzt werden, besteht keine Einigkeit über die ideale Form, Größe und Anzahl der Implantate, da die Entwicklungsprinzipien der zu ersetzenden menschlichen Zahnwurzeln unklar sind.
Ziel dieses Förderungsantrages war es geotechnische Topologieoptimierungsmodelle auf den
menschlichen Zahnhalteapparat zu übertragen, um die grundlegenden Mechanismen der Zahnwurzelbildung zu verstehen.

Für die Modellerstellung wurde die Dimension der Zahnwurzel und des Kieferknochens an digitalen Volumentomographien von Patienten mit physiologischen Knochenverhältnissen ermittelt.
Aus den gemittelten Werten wurde eine vereinfachtes Finite Elemente Modell erstellt und die Materialeigenschaften von Zahn und Alveolarknochen an humanen Autopsie-präparaten mittels mikro-Computertomographie und Nanoindentation bestimmt. Die Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP)-Methode war für die Simulation der
Zahnwurzel nicht geeignet. Die Soft Kill Option (SKO)-Methode zeigte hingegen gute
Optimierungsergebnisse. Mit der SKO-Methode konnte damit erstmals ein numerisches Modell erstellt werden, dass die Wurzelbildung ohne Formvorgaben dreidimensional beschreibt.
Basierend auf diesen Vorarbeiten soll in einem Folgeprojekt das entwickelte Optimierungsmodell an digitalen Volumentomographien implantologischer Patienten mit pathologischem Knochenabbau angewendet und für die Simulation dentaler Implantate eingesetzt werden.

The project “Assessment of diabetes-induced changes of bone tissue: Experimental identification of fracture risk factors and treatment options in Diabetes Mellitus Type 1 and 2” was funded by the FMTHH as a cooperation between the Department of Osteology and Biomechanics (UKE) and the Institute for Biomechanics (TUHH).

Diabetes Mellitus is a metabolic disease with increasing prevalence affecting several organs in the body including the bone. Patients with both types of diabetes mellitus suffer from an increased fracture risk, which is hardly detectable with common diagnosis techniques, pointing towards an impaired bone material quality.

One possible impairment of the diabetic bone quality might be induced by increased accumulation of advanced glycation end-products (AGE) within the bone matrix. Therefore, the aim of this project was to combine the expertise in computed tomography and fluorescence microscopy from the TUHH with the expertise in Fourier-transform infrared microscopy (FTIR) and histomorphometry at the UKE to establish and apply new analysis methods to determine AGE accumulation within the bone matrix.

Primary, bone treated with ribose was analysed with different techniques (high pressure liquid chromatography, fluorescence microscopy, FTIR, and fluorometric assay) to determine AGEs within artificially aged bone which was published by Schmidt et al. (Bone 2017). Further analysis of bone material quality analysis of human diabetic bone tissue were performed and presented at national and international conferences such as the meeting of the European Calcified Tissue Society and the American Society for Bone and Mineral Research.

Hepatocellular carcinoma (HCC) represents the second largest contributor to cancer mortality worldwide. Currently, there is no curative treatment for advanced stage HCC, so development of new therapies is urgently required. However, testing new drugs in standard 2D cell culture does not reflect the complex structure of a 3D tumor. Therefore, the objective of this project is to develop a novel microfluidic bioreactor capable of cultivating 3D tumoroids, as in vitro models, for drug screening research. We aim to mimic the in vivo situation of tumor treatment with biocompatible materials and continuous perfusion of culture medium and drugs.

Microsystem technology was used for the microfabrication of the microbioreactor with technologies such as photolithography, Deep Reactive Ion Etching, Self-Assembled Monolayer, Replica Molding, and Oxygen plasma bonding.
We designed a capture system for the tumoroids within the microfluidic bioreactor consisting of micro pillars which also allows continuous supply with medium and drugs. Computational FluidDynamics was used to understand the effect of parameters such as flow velocity and stress. During the experiments, we observed that micropillars size, shape and configuration, are important factors for their stability and function when increasing microflow pressure and the design was optimized accordingly. In order to avoid cell attachment to the bottom surface, we cultured HepG2, Hep3B and Huh-7 cell lines on polydimethylsiloxane. We confirmed biocompatibility and HepG2 cells were successfully grown as spherical tumoroids, which has remained healthy and viable for more than one week in the microbioreactor.

Furthermore, our design enables in situ viability assays and continuous monitoring for days by using calcein staining followed by fluorescent microscopy.
Thereby, we have developed a novel microfluidic bioreactor for HCC tumoroids culture and drug experimentation which could collaborate with the fight against cancer.

Das Hauptziel der Arbeiten am Institut für Klinische Chemie am UKE war die Entwicklung einer neuen Ablationskammer, die Optimierung der Parameter zur Freisetzung von Biomolekülen aus verschiedenen Geweben und die bioanalytische Charakterisierung der gewonnenen Aerosole. Im Rahmen des Projektes wurde eine neue, geschlossene Ablationskammer entwickelt, die zu einer effizienteren Probenahme führt und sowohl höhere als auch reproduzierbarere Proteinausbeuten liefert.

In dem FMTHH-Projekt wurde ein neues Verfahren zum Auffangen des PIRL-Aerosols mit einem Glasfaserfilter entwickelt. An der TUHH wurde für die Abscheidung in der Ablationskammer eine Halterung für den Glasfaserfilter entworfen und im 3D-Druckverfahren hergestellt. Mit der entworfenen Halterung und dem Glasfaserfilter kann das Aerosol bereits in der Ablationskammer aufgefangen werden.

Im Rahmen einer Projektstudie wurde der Stickstofffluss, der Vakuumstrom und die Platzierung des Reaktionsgefäßes in der Kühlfalle hinsichtlich der maximalen Extraktionsausbeute von Proteinen aus Geweben optimiert. Ein Vergleich mit der vorherigen Ablationskammer zeigte, dass die neue Ablationskammer sowohl höhere als auch reproduzierbarere Proteinausbeuten liefert.
Im Rahmen einer Masterarbeit und einer Doktorarbeit wurde für verschiedene Gewebe
(Leber, Muskel, Pankreas) der Zusammenhang zwischen verschiedenen Laser-Parametern des PIRL und der Molekülausbeute analysiert. Darüber hinaus wurden die Proteinausbeuten, Enzymaktivitäten von ablatierten Protein und die Zusammensetzung des Proteoms zwischen verschiedenen Lasersystemen (PIRL und MIRL (Mikrosekunden Infrarot-Laser)) verglichen und untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden im „Journal of Proteomics“ veröffentlicht (1).
In weiteren Studien konnten innerhalb des Projektes erfolgreich gezeigt werden, dass PIRL im Vergleich zu konventionellen Methoden der Gewebeaufarbeitung einen bislang nicht möglichen Zugang zur Proteinspezieszusammensetzung von Geweben liefert. Diese Ergebnisse wurden im „Journal of Proteomics“ publiziert (2).

Da das Hauptziel der Arbeiten am Institut für Mehrphasenströmung (Prof. Dr. Michael Schlüter) der Technischen Universität Hamburg (TUHH) die Entwicklung eines Prototypen zum nahezu verlustfreien Transport des Laser-ablatierten Aerosols bei gleichzeitiger Abtrennung von größeren Gewebefraktionen war, musste zunächst eine Messtechnik entwickelt werden, die die Größenklassifizierung und die Beobachtung des Strömungsverhaltens der Aerosole während des Transports ermöglicht. Hierfür wurden Untersuchungen mit einem Long-Range-Distance Mikroskop durchgeführt sowie das am Institut vorhandene Mikro-Particle-Image-Velocimetry-System (μPIV-System) modifiziert und eingesetzt.

Für die Entwicklung eines Prototypen zur nahezu verlustfreien Gewinnung des Aerosols bei gleichzeitiger Abscheidung von größeren Gewebefragmenten unter sterilen Bedingungen wurden zunächst verschiedene Separationsverfahren anhand von Literaturdaten auf ihre Eignung untersucht und darauf basierend das Prinzip des Zentrifugalabscheiders gewählt. Der entworfene Prototyp ermöglicht zudem die Einspeisung eines Schutzgases, das sowohl die Ablationsstelle steril hält als auch die Luftfeuchtigkeit minimiert und somit das Vereisen einer nachgeschalteten Cryo-Falle verhindert.

Der Prototyp wurde in CAD erstellt und anschließend als Funktionsprototyp in einem 3D-Druckverfahren gefertigt.

Magnetic Particle Imaging (MPI) ist eine neuartige, strahlungs- und hintergrundfreie, derzeit noch experimentelle Bildgebungstechnik zur Abbildung superparamagnetischer Eisenoxidpartikel. Eine der großen Stärken der MPI Bildgebung – positiver Kontrast ohne Hintergrundsignal – ist zugleich eine große Herausforderung in der praktischen Anwendung. So benötigt man zusätzliche Bildgebungsverfahren wie Magnetresonenztomographie (MRT) um MPI Signale mit anatomischen Informationen zu korrelieren.

In diesem Dokument werden die im Rahmen des FMTHH Projekt „Automatische Bildregistrierung von MPI und MRT Daten mittels bimodaler Fiducial-Marker“ entstandenen Ergebnisse, Publikationen, Drittmittelanträge und Kooperationen zusammengefasst.

Im ersten Teilprojekt wurden Fiducial-Marker und eine Registrierungssoftware entwickelt [1]. Dabei dienen die Fiducial-Marker als gemeinsamen Orientierungspunkte um die MRT und MPI Daten registrieren (überlagert) zu können. Die Güte der Registrierung hängt ganz wesentlich von der Genauigkeit ab, mit der die Position der Marker bestimmt werden kann. Mit unserem Beitrag zur submillimetergenauen Positionsbestimmung im MPI [2] konnten wir die Güte der Registrierung entscheidend steigern. In vivo Studien machen es erforderlich die Bildregistrierung schon während des Aufnehmens der MPI Daten durchzuführen und das Ergebnis zu visualisieren. Hierfür wurde unsere echtzeitfähige Rekonstruktionssoftware [3] für MPI Daten um die nötigen Funktionen erweitert. Auf der Anwenderseite ermöglichten diese technischen Fortschritte die Darstellung der beiden Großen Gefäße Vena Cava inferior und Aorta (Teilprojekt 2). In dedizierten Sensitivitätsstudien wurde festgestellt, dass MPI derzeit nicht sensitiv genug ist um atheroklerotische Plaques abzubilden, weswegen keine Studien mit gesunden und atheroklerotischen Tiermodellen durchgeführt wurden. Der Fokus des Projekts wurde statt dessen auf das dritte Teilprojekt „Flussmessungen“ verschoben. Hier konnte gezeigt werden, dass es möglich ist aus den MPI Daten die Blutflussgeschwindigkeit in Mäusen zu bestimmen [4].

Zusammenfassend konnten fast alle im Projektantrag gesetzten Ziele erreicht und darüber hinaus eine Vielzahl von Folgeprojekten, wie zum Beispiel [5,6], ermöglicht werden.
Aufbauend auf diesem FMTHH Projekt wurde das Teilprojekt „Real-time processing and visualization of spatio-temporal MPI data“ für einen transregionalen Sonderforschungsbereich beantragt. Der Verbundantrag ist derzeit noch unentschieden.

Im Rahmen der submillimetergenauen Positionbestimmung der bimodalen Marker hat sich eine Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Professor Schläfer ergeben, in der untersucht wird, ob sich optische Köhärenztomografiekatheter mit MPI Markern verfolgen lassen.