Master and Diploma Theses

Das übergeordnete Ziel dieser Abschlussarbeit war es, ein Parameter-Setup für das Bioprinting des Hydrogel-Komposits Gelatine-Alginat zu ermitteln, welches eine 3D-Kultivierung der invasiven Tumorzelllinie MDA-MB-231 ermöglicht. Ausgehend von einer grundlegenden Charakterisierung der Precursor des Hydrogel-Komposits mittels Rheologie wurde ein optimiertes Parametersetup für das extrusionsbasierte Bioprinting entwickelt und validiert. Dabei zeigte sich, dass das verwendete System aus Material und Druckplattform in der Lage ist, dreidimensionale Strukturen mit einer Auflösungsgrenze von ca. 500 [my]m zu erzeugen. Eine mechanische Charakterisierung der Hydrogele mittels Indentationsmessungen zeigte, dass das Materialsystem Gelatine-Alginat je nach Zusammensetzung und Nachvernetzungsstratiegie fähig ist, einen Steifigkeitsbereich von ca. 50 kPa - 1.000 kPa zu erreichen. Diese Signatur des Komposit-Materials macht es aus biomechanischer Sicht hochinteressant für das Tumor-Tissue Engineering. Im Weiteren wurde mit der verwendeten Geräteplattform ein Verfahren entwickelt, welches die Möglichkeit des Druckes von zellulären und biochemischen Gradienten in einem Hydrogel erlaubt. Eine finale zellbiologische Validierung erbrachte eine Überlebensquote der verdruckten Zellen von nahezu 70 %. Weiterhin konnten zellbiologische Reaktionen auf einen biochemischen Gradienten nachgewiesen werden.

Für die unbemannte Exploration komplexen Geländes schlägt das Fachgebiet Biomechatronik der TU Ilmenau einen mobilen, hindernistauglichen Wheg-Roboter vor. Das Wheg (engl. = Wheel-Leg) ist eine einfache technische Struktur, die die Vorteile von Rad und Bein kombiniert. Basierend auf diesem Prinzip wurde ein Wheg-Roboter, namens TerX, entwickelt. Charakteristisch für Whegs sind vertikale und horizontale Schwingungen am Drehpunkt, welche sich nachteilig auswirken. Mit der Plattform TerX wird das Ziel verfolgt, beide Schwingungstypen weitgehend zu kompensieren. In vertikaler Richtung war dies erfolgreich, in horizontaler Richtung hatte das dazu eingesetzte Zugmittelgetriebe technische Schwächen. Diese Arbeit hat zum Inhalt, den Antriebsstrang des TerX zu überarbeiten, zuverlässige Lösungen für die Erzeugung der notwendigen nichtlinearen Übertragungsfunktion im Antriebsstrang zu finden und unter Beibehaltung der bereits funktionierenden Strukturen eine Lösung konstruktiv umzusetzen. Des Weiteren sind geeignete Lagerungen für bewegliche Teile, Unempfindlichkeit gegenüber Schmutz und Leichtbau als Konstruktionskriterien einzubeziehen. Zur Erzeugung der nichtlinearen Übertragungsfunktion wird im Ergebnis ein Ellipsenzahnrad höherer Ordnung verwendet. Im Vorfeld der Konstruktion werden verschiedene Umsetzungskonzepte erörtert und bewertet. Das beste Konzept dient als Ausgangspunkt für Festigkeitsnachweise, Simulationen und den abschließenden technischen Entwurf.

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Kinematik-Simulation eines Robotergreifers bestehend aus einem Greifarm und einer Greifhand zur Dynamikparametervariation für die Exploration der Strukturoptimierung. Geräte dieser Machart, die mit einem Robotergreifer verbunden sind, werden getestet, um bestimmte Frameworks mithilfe von Software- und Hardware-Instrumenten zu bewerten. Dieses 3D-Simulationssystem wird mit MATLAB®, Simulink®, dem V-Realm Builder Tool und Adams® realisiert. In der Simulation können die Systembedingungen unter Berücksichtigung der Einschränkungen des zu identifizierenden Objekts und seiner Dynamikparameter geändert werden. Dieses System implementiert die Simulation der Eigenschaften eines Robotergreifers unter Verwendung dynamischer Eigenschaften wie die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Reibung und die Dämpfung. Das Ändern von Manipulations- und Geschicklichkeitsparametern kann in einer grafischen Anzeige dargestellt werden, die die dynamischen Effekte in Echtzeit zeigt.

Die Anzahl der schwer behinderten Menschen steigt stetig an, was eine Entwicklung der Diagnostik und Therapiemöglichkeiten zu einem Interessanten und stetig wachsenden Bereich werden lässt. In der heutigen Zeit bestehen zahlreiche Konzepte Menschen mit einer körperlichen Behinderung, beispielsweise einer Amputation einer Gliedmaße, das Leben zu erleichtern und zudem Lebensqualität zu schenken. Neben handelsüblichen Prothesen existieren bereits verschiedene Konzepte der mechanischen, technischen und aktiven Unterstützung des menschlichen Bewegungsapparates. Neben der Anwendung im medizinischen Bereich steigt das Interesse an solchen Unterstützungsmechanismen auch in der Industrie. Durch sogenannte Exoskelett-Systeme soll der Arbeitnehmer körperlich entlastet werden und somit Erkrankungen des Bewegungsapparates aktiv entgegengesteuert werden. Eine Möglichkeit der Entlastung besteh dabei durch das Erfassen der myoelektrischen Signale, sodass diese zum Beispiel zur Steuerung von Exoskeletten genutzt werden. Aus diesem Grund sollte in dieser Arbeit ein Versuchskonzept erstellt werden, welcher myoelektrische Signale abgreift, verarbeitet und als digitales Signal ausgibt, welches zum Steuern von Aktoren genutzt werden kann. Als Basis der Arbeit wurde ein bereits bekanntes Versuchskonzept genommen und modifiziert, sodass die Ziele der Arbeit erreicht werden. Eine Bewegungsfolge sollte den Versuchsaufbau auf dessen Funktionalität prüfen und Aussage über die Aktivität des gemessenen Muskels geben. Der Versuchsaufbau umfasste dabei ein Elektromyographie-Messsystem, welches aus einem kabellosen Sensor und einer Empfangsstation besteht. Die daraus erhaltenen analogen Signale sollten einer Signalverarbeitung unterzogen werden, sodass am Ende ein digitales Signal zur Weiterverarbeitung in einem Mikrocontroller zur Steuerung eines Aktors zur Verfügung steht. Die Signalverarbeitung sollte dabei anhand eines Arduino Uno Mikrocontrollers stattfinden. Weiterhin sollte eine Aussage über die Latenzzeit des Systems getroffen werden.

Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der konzeptionellen Untersuchung der zellbasierten Druckerzeugung und gezielten Druckeinstellung zur Aktuierung fluidmechanischer nachgiebiger Systeme. Untersuchungsgegenstand sind mehrere gekoppelte miniaturisierte Bioreaktoren. Der erhöhte Innendruck entsteht dabei durch die gasförmigen Stoffwechselprodukte von Zellen. Da sich dies über verschiedene Wege realisieren lässt, wird eine Auflistung relevanter Biosyntheseprozesse mit den dazugehörigen Zellen und prozessspezifischen Einflussfaktoren erstellt. Durch die Wahl eines abgeschlossenen Systems führt die stetige Gasproduktion zu einem steigenden Innendruck, wodurch ein nachgiebiger Aktuator aus Silikonelastomeren verformt wird. Dieser kann direkt in das System integriert sein oder als externes Bauelement vorliegen. Unterschiedliche Gestaltungsvarianten werden in einer Übersicht zusammengefasst. Aufbauend auf den präzisierten Anforderungen, die an ein nachgiebiges System mit zellulär getriebener Pneumatik gestellt werden, findet schließlich die Auswahl eines geeigneten Biosyntheseprozesses sowie einer Gestaltungsvariante statt. Die abschließende konkretisierte Konzeption eines gekoppelten nachgiebigen Systems mit zellulärer Pneumatik erfolgt in Form einer Prinzipdarstellung auf biologischer und pneumatischer Betrachtungsebene sowie der schrittweisen Erläuterung des theoretischen Ablaufes. Es lässt sich festhalten, dass die zellbasierte Druckerzeugung und gezielte Druckeinstellung in nachgiebigen Systemen technisches Anwendungspotential besitzen, wobei die Temperatur und die Substratkonzentration die ausschlaggebenden Einflussfaktoren auf die Gasproduktion sind. Die Temperatur hat neben dem direkten Einfluss auf die zeitliche Dauer der Reaktionen einen indirekten Einfluss auf den entstehenden Druck im System, indem sich die Aktivität der Zellen steuern lässt. Die Substratkonzentration hingegen beeinflusst direkt das Zellwachstum und vor allem die Reaktionsfreude für den Metabolismus und somit auch die Gasproduktion.