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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.
Operational Modal Analysis (OMA) is a promising candidate for flutter testing and Structural Health Monitoring (SHM) of aircraft wings that are passively excited by wind loads. However, no studies have been published where OMA is tested in transonic flows, which is the dominant condition for large civil aircraft and is characterized by complex and unique aerodynamic phenomena. We use data from the HIRENASD large-scale wind tunnel experiment to automatically extract modal parameters from an ambiently excited wing operated in the transonic regime using two OMA methods: Stochastic Subspace Identification (SSI) and Frequency Domain Decomposition (FDD). The system response is evaluated based on accelerometer measurements. The excitation is investigated from surface pressure measurements. The forcing function is shown to be non-white, non-stationary and contaminated by narrow-banded transonic disturbances. All these properties violate fundamental OMA assumptions about the forcing function. Despite this, all physical modes in the investigated frequency range were successfully identified, and in addition transonic pressure waves were identified as physical modes as well. The SSI method showed superior identification capabilities for the investigated case. The investigation shows that complex transonic flows can interfere with OMA. This can make existing approaches for modal tracking unsuitable for their application to aircraft wings operated in the transonic flight regime. Approaches to separate the true physical modes from the transonic disturbances are discussed.
Bonding of polymer-based microfluidics to polymer substrates still poses a challenge for Lab-On-a-Chip applications. Especially, when sensing elements are incorporated, patterned deposition of adhesives with curing at ambient conditions is required. Here, we demonstrate a fabrication method for fully printed microfluidic systems with sensing elements using inkjet and stereolithographic 3D-printing.
In this study, we show that synthetic sapphire (Al₂O₃), an established implant material, can also serve as a platform material for biosensors comparable to nanocrystalline diamond. Sapphire chips, beads, and powder were first modified with (3-aminopropyl) triethoxysilane (APTES), followed by succinic anhydride (SA), and finally single-stranded probe DNA was EDC coupled to the functionalized layer. The presence of the APTES-SA layer on sapphire powders was confirmed by thermogravimetric analyis and Fourier-transform infrared spectroscopy. Using planar sapphire chips as substrates and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) as surface-sensitive tool, the sequence of individual layers was analyzed with respect to their chemical state, enabling the quantification of areal densities of the involved molecular units. Fluorescence microscopy was used to demonstrate the hybridization of fluorescently tagged target DNA to the probe DNA, including denaturation- and re-hybridization experiments. Due to its high thermal conductivity, synthetic sapphire is especially suitable as a chip material for the heat-transfer method, which was employed to distinguish complementary- and non-complementary DNA duplexes containing single-nucleotide polymorphisms. These results indicate that it is possible to detect mutations electronically with a chemically resilient and electrically insulating chip material.
The sterilization of packages in aseptic food processes is highly significant to maintain a consumer-safe product with extended shelf-life. Today, the sterilization of food packages is predominantly accomplished by gaseous hydrogen peroxide (H2O2) in combination with heat. In order to monitor this sterilization process, calorimetric gas sensors as differential set-up of two platinum temperature sensors representing a catalytically active (additionally deposition of MnO2) and a passive segment have been recently developed. The temperature rise of the exothermic decomposition serves as an indicator of the present H2O2 concentration. In the present work, a theoretical approach considering the sensor’s thermochemistry and physical transport phenomena was formulated to evaluate the temperature rise based on the energy content of gaseous H2O2. In a further part of this work, three polymers have been analyzed with respect to their application as passivation materials. The examined polymers are photoresist SU-8, perfluoroalkoxy (PFA) and fluorinated ethylene propylene (FEP). Thermal analyses by means of differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA) have been conducted to determine the operation limits of the polymers. The overall chemical resistance and stability of the polymers against the harsh environmental conditions during the sterilization process have been examined by attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR).
The chemical imaging sensor was applied to in-situ pH imaging of the solution in the vicinity of a corroding surface of stainless steel under potentiostatic polarization. A test piece of polished stainless steel was placed on the sensing surface leaving a narrow gap filled with artificial seawater and the stainless steel was corroded under polarization. The pH images obtained during polarization showed correspondence between the region of lower pH and the site of corrosion. It was also found that the pH value in the gap became as low as 2 by polarization, which triggered corrosion.
Designing novel or optimizing existing biodegradable polymers for biomedical applications requires numerous tests on the effect of substances on the degradation process. In the present work, polymer-modified electrolyte–insulator–semiconductor (PMEIS) sensors have been applied for monitoring an enzymatically catalyzed degradation of polymers for the first time. The thin films of biodegradable polymer poly(d,l-lactic acid) and enzyme lipase were used as a model system. During degradation, the sensors were read-out by means of impedance spectroscopy. In order to interpret the data obtained from impedance measurements, an electrical equivalent circuit model was developed. In addition, morphological investigations of the polymer surface have been performed by means of in situ atomic force microscopy. The sensor signal change, which reflects the progress of degradation, indicates an accelerated degradation in the presence of the enzyme compared to hydrolysis in neutral pH buffer media. The degradation rate increases with increasing enzyme concentration. The obtained results demonstrate the potential of PMEIS sensors as a very promising tool for in situ and real-time monitoring of degradation of polymers.
The Saturnian moon Enceladus with its extensive water bodies underneath a thick ice sheet cover is a potential candidate for extraterrestrial life. Direct exploration of such extraterrestrial aquatic ecosystems requires advanced access and sampling technologies with a high level of autonomy. A new technological approach has been developed as part of the collaborative research project Enceladus Explorer (EnEx). The concept is based upon a minimally invasive melting probe called the IceMole. The force-regulated, heater-controlled IceMole is able to travel along a curved trajectory as well as upwards. Hence, it allows maneuvers which may be necessary for obstacle avoidance or target selection. Maneuverability, however, necessitates a sophisticated on-board navigation system capable of autonomous operations. The development of such a navigational system has been the focal part of the EnEx project. The original IceMole has been further developed to include relative positioning based on in-ice attitude determination, acoustic positioning, ultrasonic obstacle and target detection integrated through a high-level sensor fusion. This paper describes the EnEx technology and discusses implications for an actual extraterrestrial mission concept.
EU-Projekt INSYSME : innovative Systeme für erdbebentaugliche Ausfachungswände aus Ziegelmauerwerk
(2014)
Am 1. Oktober 2013 ist das auf drei Jahre angelegte EU-Forschungsprojekt INSYSME – Innovative Systeme für erdbebentaugliche Ausfachungswände aus Ziegelmauerwerk in Stahlbetonrahmentragwerken – gestartet. Unter der Koordination der Universität Padua beteiligen sich 16 Partner aus sechs europäischen Ländern (Deutschland, Griechenland, Italien, Portugal, Rumänien, Türkei). Als deutsche Partner nehmen die Arbeitsgemeinschaft Mauerziegel aus Bonn, die Universität Kassel sowie das Ingenieurbüro SDA-engineering GmbH aus Herzogenrath, teil. Ziel der deutschen Partner ist die Entwicklung von innovativen Ausfachungssystemen aus monolithischem wärmedämmenden Ziegelmauerwerk, mit denen nicht nur eine erhöhte Erdbebensicherheit, sondern auch die sichere Erfüllung der steigenden Anforderungen aus Windbeanspruchungen gewährleistet werden können. Die Forschungsergebnisse sollen vom Partner SDA-engineering GmbH in die bereits seit einigen Jahren verfügbare Softwarelösung MINEA [1] integriert werden. Weitere Informationen stehen auf den Websites des Projektes [2] zur Verfügung. Im vorliegenden Beitrag werden nach einer kurzen thematischen Einführung die Ergebnisse von Tastversuchen an senkrecht zur Ebene belasteten Ausfachungswänden aus Planziegelmauerwerk vorgestellt. Im Anschluss wird das geplante Arbeitsprogramm der deutschen Partner im Projekt INSYSME beschrieben.
Die Erdbeben in Albstadt 1978 (Magnitude 5,7), Roermond 1992 (Magnitude 5,9) oder in Waldkirch 2004 (Magnitude 5,1) haben verdeutlicht, dass die erdbebensichere Auslegung von Mauerwerksbauten auch in Deutschland von großer Bedeutung ist. Bereits im Jahr 1981 wurde die DIN 4149 (1981) “Bauten in deutschen Erdbebengebieten – Lastannahmen, Bemessung und Ausführung üblicher Hochbauten“ eingeführt, in der aber für Mauerwerksbauten nur wenige Anforderungen gestellt wurden. Diese Norm wurde durch den NABau-Arbeitsausschuss “Erdbeben; Sonderfragen“ des Deutschen Instituts für Normung e.V. (DIN) auf Grundlage des Eurocode 8 (2004) vollständig überarbeitet und durch die DIN 4149 (2005) abgelöst, die umfangreiche Regelungen für die seismische Auslegung von Mauerwerksbauten enthält. Mittlerweile liegen die DIN EN 1998-1 (2010) und der Nationale Anhang DIN EN 1998-1/NA (2011) vor, die nach Einarbeitung der Ergebnisse der durchgeführten Anwendungserprobung bauaufsichtlich eingeführt und die DIN 4149 (2005) ersetzen werden. Der folgende Beitrag gibt einen Überblick über die seismische Berechnung und Bemessung von Mauerwerksbauten nach dem europäischen Regelwerk und illustriert deren Anwendung an einem baupraktischen Beispiel.
Moderne Mauerwerksbauten müssen nach heutigen Anforderungen architektonisch, statisch, energetisch sowie schall- und brandschutztechnisch optimal ausgelegt sein. Aufgrund der Komplexität und engen Verzahnung der einzelnen Anforderungen ist eine integrale Gebäudeplanung zur Erzielung einer qualitativ hochwertigen Bauwerkslösung unbedingt notwendig. Diese erfordert von den Fachplanern vertieftes Spezialwissen in den verschiedenen Bereichen, um insbesondere die Schnittstellen und Bauwerksdetails korrekt zu planen und auszuführen. Der Beitrag stellt die integrale Gebäudeplanung am Beispiel eines Geschossbaus in Ziegelbauweise mit Lösungen für wesentliche Detailpunkte vor
Bei der Ausarbeitung des nationalen Anwendungsdokumentes zur DIN EN 1998-1 waren die in der ENV-Fassung enthaltenen vereinfachten Regeln im Lichte aktueller Forschungsergebnisse zu überprüfen und zu überarbeiten. Die gleiche Aufgabe stellte sich auch für die Neufassung der DIN 4149. In beiden Fällen sind neben konstruktiven Regeln für die Art und Anordnung der zur Gebäudeaussteifung heranzuziehenden Wände im Grundriss Tabellen enthalten, die unter bestimmten Bedingungen den Entfall eines rechnerischen Nachweises der Tragwände im Erdbebenfall ermöglichen. Dies ist für Schwachbebengebiete, wie sie in Deutschland und anderen Ländern Mitteleuropas anzutreffen sind, sinnvoll, um unnötigen Rechenaufwand sowie Probleme mit der Führbarkeit von Nachweisen so weit wie möglich auszuschalten. Im vorliegenden Beitrag werden die Hintergründe der vereinfachten Regeln diskutiert und die Ergebnisse der Anwendung mit verschiedenen Rechenverfahren verglichen und bewertet.
Möglichkeiten und Grenzen der Anwendbarkeit statisch nichtlinearer Verfahren nach DIN EN 1998-1
(2011)
Moderne Bauwerke müssen heute eine hohe energetische Leistungsfähigkeit aufweisen und gleichzeitig alle einwirkenden Lasten sicher abtragen. Dies stellt insbesondere in Erdbebengebieten hohe Anforderungen an die verwendeten Baustoffe. Am baupraktischen Beispiel einer Doppelhaushälfte wird demonstriert, dass die Symbiose aus energieeffizientem und gleichzeitig erdbebensicherem Bauen in der höchsten deutschen Erdbebenzone mit monolithischem Ziegelmauerwerk gut realisierbar ist. Als Ziegelmauerwerk werden für die Außenwände wärmetechnisch optimierte Hochlochziegel verwendet, die sowohl die Anforderungen der Energieeinsparverordnung 2009 als auch die Anforderungen an Mauerwerkbaustoffe nach den aktuellen Erdbebennormen erfüllen. Der Erdbebennachweis der Doppelhaushälfte erfolgt mit einem nichtlinearen Nachweisverfahren, das für eine einfache praktische Anwendung programmtechnisch umgesetzt wurde. Für den Nachweis wurden aus zyklischen Schubwandversuchen ermittelte Last-Verformungskurven verwendet. Das gesamte in Deutschland noch nicht normativ geregelte Nachweiskonzept wurde im Rahmen einer Zustimmung im Einzelfall geprüft und genehmigt.
Die Erdbebensicherheit von Gebäuden aus Kalksandsteinmauerwerk ist aktuell nach DIN 4149 mit linearen Verfahren nachzuweisen. Dies führt in der praktischen Anwendung zu großen Problemen, da selbst traditionell übliche Grundrisse teilweise nicht mehr ohne zusätzliche Maßnahmen nachweisbar sind. Zur Lösung dieser Problematik wurden von der deutschen Mauerwerksindustrie auf nationaler und europäischer Ebene Forschungsprojekte initiiert, deren Ergebnisse in Form von statisch nichtlinearen Verfahren Eingang in den Nationalen Anhang zur DIN EN 1998-1 [12] gefunden haben. Mit den Verfahren wird die Nachweissituation zukünftig grundlegend verbessert, da mit diesen die Tragwerksreserven wesentlich besser ausgenutzt werden können. Im Folgenden wird die Anwendung der Verfahren am Beispiel einer Reihenhauszeile aus Kalksandsteinmauerwerk demonstriert. Der Nachweis der Reihenhäuser wurde im Rahmen einer Zustimmung im Einzelfall, die vom Bundesverband Kalksandsteinindustrie eV in Hannover koordiniert wurde, durch unabhängige Gutachter und die Bauaufsicht eingehend geprüft und für richtig befunden. Die Durchführung des Nachweises erfolgte auf Grundlage eines an der RWTH Aachen entwickelten neuen Nachweiskonzeptes. Die baupraktische Anwendbarkeit und einfache Nachvollziehbarkeit dieses Konzepts ist durch eine softwaretechnische Umsetzung sichergestellt.