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Background/Aims: Common systems for the quantification of cellular contraction rely on animal-based models, complex experimental setups or indirect approaches. The herein presented CellDrum technology for testing mechanical tension of cellular monolayers and thin tissue constructs has the potential to scale-up mechanical testing towards medium-throughput analyses. Using hiPS-Cardiac Myocytes (hiPS-CMs) it represents a new perspective of drug testing and brings us closer to personalized drug medication. Methods: In the present study, monolayers of self-beating hiPS-CMs were grown on ultra-thin circular silicone membranes and deflect under the weight of the culture medium. Rhythmic contractions of the hiPS-CMs induced variations of the membrane deflection. The recorded contraction-relaxation-cycles were analyzed with respect to their amplitudes, durations, time integrals and frequencies. Besides unstimulated force and tensile stress, we investigated the effects of agonists and antagonists acting on Ca²⁺ channels (S-Bay K8644/verapamil) and Na⁺ channels (veratridine/lidocaine). Results: The measured data and simulations for pharmacologically unstimulated contraction resembled findings in native human heart tissue, while the pharmacological dose-response curves were highly accurate and consistent with reference data. Conclusion: We conclude that the combination of the CellDrum with hiPS-CMs offers a fast, facile and precise system for pharmacological, toxicological studies and offers new preclinical basic research potential.
We present an electromechanically coupled computational model for the investigation of a thin cardiac tissue construct consisting of human-induced pluripotent stem cell-derived atrial, ventricular and sinoatrial cardiomyocytes. The mechanical and electrophysiological parts of the finite element model, as well as their coupling are explained in detail. The model is implemented in the open source finite element code Code_Aster and is employed for the simulation of a thin circular membrane deflected by a monolayer of autonomously beating, circular, thin cardiac tissue. Two cardio-active drugs, S-Bay K8644 and veratridine, are applied in experiments and simulations and are investigated with respect to their chronotropic effects on the tissue. These results demonstrate the potential of coupled micro- and macroscopic electromechanical models of cardiac tissue to be adapted to experimental results at the cellular level. Further model improvements are discussed taking into account experimentally measurable quantities that can easily be extracted from the obtained experimental results. The goal is to estimate the potential to adapt the presented model to sample specific cell cultures.
Soft Materials in Technology and Biology – Characteristics, Properties, and Parameter Identification
(2008)
An optimization method is developed to describe the mechanical behaviour of the human cancellous bone. The method is based on a mixture theory. A careful observation of the behaviour of the bone material leads to the hypothesis that the bone density is controlled by the principal stress trajectories (Wolff’s law). The basic idea of the developed method is the coupling of a scalar value via an eigenvalue problem to the principal stress trajectories. On the one hand this theory will permit a prediction of the reaction of the biological bone structure after the implantation of a prosthesis, on the other hand it may be useful in engineering optimization problems. An analytical example shows its efficiency.
Originalausgabe: Orthopädische Praxis Jg. 47. 2011 H. 11; S. 536-543. Mit freundlicher Genehmigung des Verlags Zusammenfassung: Auf der Basis von Patientenabfragen mittels Fragebogen zum Schmerzempfinden und zur Einschränkung bei Aktivitäten des alltäglichen Lebens wird die Langzeitwirkung der MBST® KernspinResonanz-Therapie bei Gonarthrose untersucht. An der Studie nahmen 39 Patienten teil, bei denen die Therapie bis zu vier Jahre zurückliegt. Neben einer Gesamtbetrachtung wird der Erfolg auch in Abhängigkeit von Alter, Geschlecht und sportlicher Aktivität analysiert. Insgesamt weist die Studie auf eine anhaltende Verbesserung des Gesundheitszustands mit zum Teil deutlicher Schmerzlinderung auch noch nach vier Jahren hin, jedoch mit einer leichten Schmerzzunahme gegen Ende des Untersuchungszeitraums von vier Jahren. Eine tendenziell positivere Wirkung bei Frauen, älteren Menschen oder auch sportlich nicht-aktiven Patienten lässt auf eine mögliche Beeinflussung des Erfolgs der Therapie durch (Über-)Belastung im Alltag schließen. Ein zusätzlich positiver Effekt der Therapie auf die Knochendichte ist ebenfalls denkbar, dies bleibt jedoch offen.
Diese Studie beschäftigte sich mit der Dämpfungswirkung von Schienbeinschonern, wie sie beim Fußball zum Einsatz kommen. Sie wurde mit Hilfe eines Pendelhammers durchgeführt, der verschiedene Aufschlagkräfte auf die Schoner ermöglichte. Dabei wurde deutlich, dass Schienbeinschoner die beste Wirkung bei Maximalkräften unterhalb von 5kN erreichen können, dass bei größerer Belastung allerdings Verbesserungsbedarf besteht. Hierfür konnte, u.a. durch den Einsatz neuer Materialien, ein guter Ansatzpunkt im „adäquaten Zusammenspiel von Schale und Polsterung“ der Schoner gefunden werden. Die Untersuchung hat weiterhin gezeigt, dass zumindest teilweise eine deutliche Verbesserung der Dämpfungswirkung der Schienbeinschoner in den letzten Jahren erreicht werden konnte.