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Three-dimensional (3D) full-field measurements provide a comprehensive and accurate validation of finite element (FE) models. For the validation, the result of the model and measurements are compared based on two respective point-sets and this requires the point-sets to be registered in one coordinate system. Point-set registration is a non-convex optimization problem that has widely been solved by the ordinary iterative closest point algorithm. However, this approach necessitates a good initialization without which it easily returns a local optimum, i.e. an erroneous registration. The globally optimal iterative closest point (Go-ICP) algorithm has overcome this drawback and forms the basis for the presented open-source tool that can be used for the validation of FE models using 3D full-field measurements. The capability of the tool is demonstrated using an application example from the field of biomechanics. Methodological problems that arise in real-world data and the respective implemented solution approaches are discussed.
Die qualitative und quantitative Detektion von Zielsubstanzen innerhalb einer wässrigen Probe ist für viele Fragestellungen von Interesse, etwa bei der Detektion von Kontaminationen in Trinkwasser in Krisensituationen. Hierbei ist es nicht nur wichtig, dass Pathogene möglichst sensitiv detektiert werden können, sondern auch, dass die Analyse schnell erfolgt, um Betroffenen im Katastrophenfall zügig sicheres Trinkwasser zu Verfügung stellen zu können. Da bei einem solchen Szenario nicht von einer in der Nähe befindlichen funktionierenden Laborinfrastruktur ausgegangen werden kann, ist es wichtig, dass die Messung direkt vor Ort erfolgen kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob eine derartige Schnellanalytik mithilfe von superparamagnetischen Beads (MBs) und der magnetischen Frequenzmischtechnik möglich ist. Dabei werden die MBs mit Hilfe von primären Antikörpern an die Zielsubstanz gebunden und mit sekundären Antikörpern an die Poren-Oberfläche eines Polyethylen-Filters fixiert (Sandwich-Immunoassay). So kann die Quantifizierung der Zielsubstanz auf eine magnetische Messung der immobilisierten MB-Marker zurückgeführt werden. Die magnetische Frequenzmischtechnik basiert auf der Anregung der Probe mit Magnetfeldern zweier verschiedener Frequenzen. Die durch die nichtlineare Magnetisierungsform der superparamagnetischen MBs entstehenden Mischfrequenzen werden typischerweise mithilfe einer zweistufigen Lock-in-Detektion analysiert (analoge Demodulation), die in einem Magnetreader als Handheldgerät realisiert wurde. Zusätzlich zu dieser Technik wurde das Prinzip der direkten Digitalisierung des gesamten Antwortsignals mit anschließender Fourier-Analyse der erzeugten Mischfrequenzen experimentell umgesetzt, um die Amplituden und Phasen mehrerer Mischfrequenzen simultan zu erfassen. Eine Möglichkeit zur Sensitivitätssteigerung ist die magnetische Aufkonzentration, indem vor der magnetischen Analyse eine Separation der MBs aus einem größeren Probenvolumen mittels magnetischem Feldgradienten durchgeführt wird. Zur Charakterisierung verschiedener kommerzieller MBs hinsichtlich ihrer magnetischen Separierbarkeit wurde ein Aufbau zur Messung ihrer magnetophoretischen Beweglichkeiten realisiert und ihre Geschwindigkeiten im Gradientenfeld mikroskopisch gemessen.Da eine Probe oftmals nicht nur auf eine einzige Zielsubstanz, sondern simultan auf mehrere verschiedene Pathogene hin untersucht werden soll, wurden verschiedene Ansätze entwickelt und getestet, die einen solchen multiparametrischen magnetischen Immunoassay ermöglichen. Einerseits wurde eine räumliche Separation der Bindungsbereiche für verschiedene Zielsubstanzen realisiert, die sequentiell ausgewertet werden können. Andererseits wurde die Unterscheidung von verschiedenen Zielsubstanzen anhand der Charakteristika der an sie gebundenen, verschieden funktionalisierten MB-Typen untersucht. Für eine solche Unterscheidung wurde zum einen die Anregefrequenz der magnetischen Frequenzmischtechnik während einer Messung variiert. Damit konnte gezeigt werden, dass sich verschiedene MB-Sorten anhand der Phase ihrer Frequenzmischsignale voneinander unterscheiden lassen. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich der Signalverlauf einer binären Mischung zweier verschiedener MB-Typen als gradueller Übergang der Verläufe der beiden reinen MB-Lösungen ergibt. Eine weitere Analysemethode für einen multiparametrischen Immunoassay besteht darin, ein zusätzliches einstellbares statisches magnetisches Offsetfeld zu verwenden. Hierfür wurden mehrere Aufbauten auf Basis von Permanent- und Elektromagneten simuliert, konstruiert und charakterisiert. Mithilfe von Simulationen konnte gezeigt werden, dass eine auf diesem Verfahren beruhende Unterscheidung für MBs mit unterschiedlichen magnetischen Partikelmomenten möglich ist. Als direkte Anwendung des hier entwickelten Magnetreaders in Zusammenspiel mit der digitalen Demodulation wurde ein magnetischer Assay gegen die B-Untereinheit des Choleratoxins in Trinkwasser mit einem niedrigen Detektionslimit von 0,2 ng/ml demonstriert.
Humic substances originating from various organic matters can ameliorate soil properties, stimulate plant growth, and improve nutrient uptake. Due to the low calorific heating value, leonardite is rather unsuitable as fuel. However, it may serve as a potential source of humic substances. This study was aimed at characterizing the leonardite-based soil amendments and examining the effect of their application on the soil microbial community, as well as on potato growth and tuber yield. A high yield (71.1%) of humic acid (LHA) from leonardite has been demonstrated. Parental leonardite (PL) and LHA were applied to soil prior to potato cultivation. The 16S rRNA sequencing of soil samples revealed distinct relationships between microbial community composition and the application of leonardite-based soil amendments. Potato tubers were planted in pots in greenhouse conditions. The tubers were harvested at the mature stage for the determination of growth and yield parameters. The results demonstrated that the LHA treatments had a significant effect on increasing potato growth (54.9%) and tuber yield (66.4%) when compared to the control. The findings highlight the importance of amending leonardite-based humic products for maintaining the biogeochemical stability of soils, for keeping their healthy microbial community structure, and for increasing the agronomic productivity of potato plants.
There is a growing body of evidence for the effects of vitamin D on intestinal host-microbiome interactions related to gut dysbiosis and bowel inflammation. This brief review highlights the potential links between vitamin D and gut health, emphasizing the role of vitamin D in microbiological and immunological mechanisms of inflammatory bowel diseases. A comprehensive literature search was carried out in PubMed and Google Scholar using combinations of keywords “vitamin D,” “intestines,” “gut microflora,” “bowel inflammation”. Only articles published in English and related to the study topic are included in the review. We discuss how vitamin D (a) modulates intestinal microbiome function, (b) controls antimicrobial peptide expression, and (c) has a protective effect on epithelial barriers in the gut mucosa. Vitamin D and its nuclear receptor (VDR) regulate intestinal barrier integrity, and control innate and adaptive immunity in the gut. Metabolites from the gut microbiota may also regulate expression of VDR, while vitamin D may influence the gut microbiota and exert anti-inflammatory and immune-modulating effects. The underlying mechanism of vitamin D in the pathogenesis of bowel diseases is not fully understood, but maintaining an optimal vitamin D status appears to be beneficial for gut health. Future studies will shed light on the molecular mechanisms through which vitamin D and VDR interactions affect intestinal mucosal immunity, pathogen invasion, symbiont colonization, and antimicrobial peptide expression.
The treatment of septic wounds with curative dressings based on biocomposites containing sage and marigold phytoextracts was effective in in vitro and in vivo experiments. These dressings caused the purification of the wound surface from purulent-necrotic masses three days earlier than in the other experimental groups. The consequence of an increase in incidents of severe course of the wound and the observed tendency to increase the number of adverse effects is the development of long-term recurrent wound processes. To treat purulent wounds, the following tactics were used: The purulent wounds of animals were covered with the examined wound dressing, and then the next day samples were taken, the procedure was performed once in 2 days. To obtain the active nanostructured sorbents such as carbonized rice husks, they are functionalized with biologically active components possessing antimicrobial, anti-inflammatory, antitoxic, immunomodulating, antiallergic and other types of properties.
The problem of creation and use of sorption materials is of current interest for the practice of the modern medicine and agriculture. Practical importance is production of a biostimulant using a carbon sorbent for a significant increase in productivity, which is very relevant for the regions of Kazakhstan. It is known that a plant phytohormone—fusicoccin—in nanogram concentrations transforms cancer cells to the state of apoptosis. In this regard, there is a scientific practical interest in the development of a highly efficient method for producing fusicoccin from extract of germinated wheat seeds. According to the results of computer modeling, cleaning composite components of fusicoccin using microporous carbon adsorbents not suitable as the size of the molecule of fusicoccin more than micropores and the optimum pore size for purification of constituents of fusicoccin was determined by computer simulation.
Mechano-pharmacological testing of L-Type Ca²⁺ channel modulators via human vascular celldrum model
(2020)
Background/Aims: This study aimed to establish a precise and well-defined working model, assessing pharmaceutical effects on vascular smooth muscle cell monolayer in-vitro. It describes various analysis techniques to determine the most suitable to measure the biomechanical impact of vasoactive agents by using CellDrum technology. Methods: The so-called CellDrum technology was applied to analyse the biomechanical properties of confluent human aorta muscle cells (haSMC) in monolayer. The cell generated tensions deviations in the range of a few N/m² are evaluated by the CellDrum technology. This study focuses on the dilative and contractive effects of L-type Ca²⁺ channel agonists and antagonists, respectively. We analyzed the effects of Bay K8644, nifedipine and verapamil. Three different measurement modes were developed and applied to determine the most appropriate analysis technique for the study purpose. These three operation modes are called, particular time mode" (PTM), "long term mode" (LTM) and "real-time mode" (RTM). Results: It was possible to quantify the biomechanical response of haSMCs to the addition of vasoactive agents using CellDrum technology. Due to the supplementation of 100nM Bay K8644, the tension increased approximately 10.6% from initial tension maximum, whereas, the treatment with nifedipine and verapamil caused a significant decrease in cellular tension: 10nM nifedipine decreased the biomechanical stress around 6,5% and 50nM verapamil by 2,8%, compared to the initial tension maximum. Additionally, all tested measurement modes provide similar results while focusing on different analysis parameters. Conclusion: The CellDrum technology allows highly sensitive biomechanical stress measurements of cultured haSMC monolayers. The mechanical stress responses evoked by the application of vasoactive calcium channel modulators were quantified functionally (N/m²). All tested operation modes resulted in equal findings, whereas each mode features operation-related data analysis.
Die Durchführung einer systematischen Literaturrecherche ist eine zentrale Kompetenz wissenschaftlichen Arbeitens und bildet daher einen festen Ausbildungsbestandteil von Bachelor- und Masterstudiengängen. In entsprechenden Lehrveranstaltungen werden Studierende zwar mit den grundlegenden Hilfsmitteln zur Suche und Verwaltung von Literatur vertraut gemacht, allerdings werden die Potenziale textanalytischer Methoden und Anwendungssysteme (Text Mining, Text Analytics) dabei zumeist nicht abgedeckt. Folglich werden Datenkompetenzen, die zur systemgestützten Analyse und Erschließung von Literaturdaten erforderlich sind, nicht hinreichend ausgeprägt. Um diese Kompetenzlücke zu adressieren, ist an der Hochschule Osnabrück eine Lehrveranstaltung konzipiert und projektorientiert umgesetzt worden, die sich insbesondere an Studierende wirtschaftswissenschaftlicher Studiengänge richtet. Dieser Beitrag dokumentiert die fachliche sowie technische Ausgestaltung dieser Veranstaltung und zeigt Potenziale für die künftige Weiterentwicklung auf.
Die Energiewirtschaft befindet sich in einem starken Wandel, der v. a. durch die Energiewende und Digitalisierung Druck auf sämtliche Marktteilnehmer ausübt. Das klassische Geschäftsmodell des Energieversorgungsunternehmens verändert sich dabei grundlegend. Der kontinuierlich ansteigende Einsatz dezentraler und volatiler Erzeugungsanlagen macht die Identifikation von Flexibilitätspotenzialen notwendig, um weiterhin eine hohe Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Dieser Schritt ist nur mit einem hohen Digitalisierungsgrad möglich. Eine funktionale Plattform mit Microservices, die zu Geschäftsprozessen verbunden werden können, wird als Möglichkeit zur Aktivierung der Flexibilität und Digitalisierung der Energieversorgungsunternehmen im Folgenden vorgestellt.
Mit finanzieller Unterstützung der Deutschen Gesellschaft für Mauerwerks- und Wohnungsbau e.V. (DGfM) und des Deutschen Instituts für Bautechnik in Berlin (DIBt) wurden zwei aufeinander aufbauende Forschungsvorhaben zur Verbesserung der seismischen Nachweise von Mauerwerksbauten in deutschen Erdbebengebieten durchgeführt. Zunächst wurde das seismische Verhalten von drei modernen unbewehrten Mauerwerksgebäuden in der Region Emilia Romagna in Italien während der Erdbebenserie im Jahr 2012 in Kooperation mit der Universität Pavia eingehend untersucht. Aufbauend auf den Erkenntnissen dieser Untersuchungen wurde ein verbessertes seismisches Bemessungskonzept für unbewehrte Mauerwerksbauten erarbeitet. Der Beitrag stellt die wesentlichen Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten und deren Eingang in die Normung vor.
The objective of this study is the establishment of a differential scanning calorimetry (DSC) based method for online analysis of the biodegradation of polymers in complex environments. Structural changes during biodegradation, such as an increase in brittleness or crystallinity, can be detected by carefully observing characteristic changes in DSC profiles. Until now, DSC profiles have not been used to draw quantitative conclusions about biodegradation. A new method is presented for quantifying the biodegradation using DSC data, whereby the results were validated using two reference methods.
The proposed method is applied to evaluate the biodegradation of three polymeric biomaterials: polyhydroxybutyrate (PHB), cellulose acetate (CA) and Organosolv lignin. The method is suitable for the precise quantification of the biodegradability of PHB. For CA and lignin, conclusions regarding their biodegradation can be drawn with lower resolutions. The proposed method is also able to quantify the biodegradation of blends or composite materials, which differentiates it from commonly used degradation detection methods.
The implementation of IO-Link in the automation industry has increased over the years. Its main advantage is it offers a digital point-to-point plugand-play interface for any type of device or application. This simplifies the communication between devices and increases productivity with its different features like self-parametrization and maintenance. However, its complete potential is not always used.
The aim of this paper is to create an Arduino based framework for the development of generic IO-Link devices and increase its implementation for rapid prototyping. By generating the IO device description file (IODD) from a graphical user interface, and further customizable options for the device application, the end-user can intuitively develop generic IO-Link devices. The peculiarity of this framework relies on its simplicity and abstraction which allows to implement any sensor functionality and virtually connect any type of device to an IO-Link master. This work consists of the general overview of the framework, the technical background of its development and a proof of concept which demonstrates the workflow for its implementation.