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BayWISS-Kolleg Health www.baywiss.de

Projekte im Verbundkolleg Gesundheit

© eliola, Pixabay

Investigation of structure function relationships in degraded articular cartilage using indentation-type atomic force microscopy and novel strategies to determinethe degradation depth.

Arthrose ist eine der häufigsten Gelenkkrankheiten weltweit. Im fortgeschrittenen Stadium verursacht sie Gelenkschmerzen und -steifigkeit, was die Lebensqualität der betroffenenPersonen stark herabsetzt. Im frühen Stadium der Krankheit findet eine Veränderung des Knorpels auf der molekularen Ebene statt, was sich in einer Abnahme des Elastizitätsmoduls der äußersten Knorpelschicht zeigt. Diese frühe Veränderung der biomechanischenEigenschaften lässt sich mit herkömmlichen, etablierten Methoden (z.B. CT oder MRT) nicht detektieren. Auch während einer operativen Untersuchung des Knorpels ist der Operateur aktuell auf das Abtasten der Oberfläche mit dem Finger oder einem Haken angewiesen,um die von Arthrose betroffenen Regionen zu lokalisieren, was eine große Erfahrung der operierenden Person erfordert und nicht die nötige Genauigkeit erreicht um Regionen mit Arthrose im frühen Stadium zuverlässig zu detektieren. Um die Diagnose und die Abwägungder Therapiemöglichkeiten (z. B. operatives Entfernen von betroffenen Regionen) für den Patienten zu verbessern ist eine zuverlässigere und genauere Methode erforderlich.
 
Aus diesem Grund wird im Zuge dieser Promotion zum einen die Tauglichkeit eines neu entwickelten Sensors erforscht, welcher das Potenzial hat minimalinvasiv und endoskopischwährend einer Operation die Steifigkeit des Knorpels ortsaufgelöst zu messen. Zum anderen soll ein neues physikalisch-mathematisches Modell entwickelt werden, welches es ermöglicht, nicht nur die Veränderungen der Knorpeloberfläche aus den Messungen des Sensorszu detektieren, sondern auch die Tiefe der Knorpeldegeneration zu ermitteln. Ein solches Modell hat große Relevanz in allen Forschungsbereichen, bei denen der Elastizitätsmodul von inhomogenen Systemen bestimmt werden muss, wie zum Beispiel bei der Untersuchungvon Gewebeproben in der Grundlagenforschung, dem Tissue Engineering oder den Werkstoffwissenschaften.

Publikationen

Erben A., Hörning M., Hartmann B., Becke T., Eisler S. A., et al. (2020):
Precision 3D‐Printed Cell Scaffolds Mimicking Native Tissue Composition and Mechanics. In: Advanced Healthcare Materials.

Hartmann B., Marchi G., Alberton P., Farkas Z., Aszodi A., et al. (2020):
Early Detection of Cartilage Degeneration: A Comparison of Histology, Fiber Bragg Grating-Based Micro-Indentation, and Atomic Force Microscopy-Based Nano-Indentation. In: Int. J. Mol. Sci., 21, S. 7384. DOI: 10.3390/ijms21197384

Schwarz S., Hartmann B., Moerl, R., Sudhop, S., Clausen-Schaumann H. and D. Rixen (2020):
Vibrational Analysis of Biopolymer-Based Hydrogels Using 3D-Printed Test Structuresfor Applications in Bioprinting, Mechanics of Biological Systems and Materials & Micro-and Nanomechanics, Volume 4. DOI: 10.1007/978-3-030-30013-5_6.

Zhang, J., Byers, P., Frank, C., Schulte-Spechtel, L., Hartmann, B., Siegel, J., Marchi, G., Docheva, D., Clausen-Schaumann, H., Sudhop, S. und H.P. Huber (2019):
Femtosecond laserprinting of living human cells, Proc. SPIE 11079, Medical Laser Applications and Laser-Tissue Interactions IX, 110790Z. DOI: 10.1117/12.2528804

Becke, T. D., Ness, S., Kaufmann, B.K., Hartmann, B., Schilling, A.F., Sudhop, S., Hilleringmann, M. und H. Clausen-Schaumann (2019):
Pilus-1 Backbone Protein RrgB of StreptococcusPneumoniae Binds Collagen I in a Force Dependent Way, ACS Nano. DOI: 10.1021/acsnano.9b02587

Alberton, P., Dugonitsch, H.C., Hartmann, B., Li, P., Farkas, Z., Saller, M.M., Clausen-Schaumann, H. und A. Aszodi (2019):
Aggrecan Hypomorphism Compromises Articular Cartilage Biomechanical Properties and Is Associated with Increased Incidence of Spontaneous Osteoarthritis. Int. J. Mol. Science.

Marchi, G., Foehr, P., Consalvo, S., Javadzadeh-Kalarhodi, A., Lang, J., Hartmann, B., Alberton, P., Aszodi, A., Burgkart, R. und J. Roths (2019):
Fiberoptic microindentation technique for early osteoarthritis diagnosis: an in vitro study on human cartilage. In Journal of Biomedical Microdevices.

Krug, Ch., Beer, A., Hartmann, B., Prein, C., Clausen‐Schaumann, H., Holzbach, Th., Aszodi, A., Giunta, R., Saller, M., und E. Volkmer (2018):
Fibrin glue displays promising in vitro characteristics as a potential carrier of adipose progenitor cells for tissueregeneration, Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. DOI: 10.1002/term.2778.

Marchi, G., Canti, O., Baier, V., Micallef, W., Hartmann, B., Alberton, P., Aszodi, A., Clausen-Schaumann, H., und J. Roths (2018):
Cartilage microindentation using cylindricaland spherical optical fiber indenters with integrated Bragg gratings as force sensors, Proc. SPIE 10496, Optical Elastography and Tissue Biomechanics V, 104960Z. DOI: 10.1117/12.2289493.

Zhang, J., Hartmann, B., Siegel, J., Marchi, G., Clausen-Schaumann, H., Sudhop, S. und H. P. Huber (2018):
Sacrificial-layer free transfer of mammalian cells using near infrared fem to second laser pulses, PLoS ONE, 13(5): e0195479. DOI: 10.1371/journal.pone.0195479. (open access and peer reviewed).

Bastian Hartmann

Bastian Hartmann

Hochschule für angewandte Wissenschaften München

Coordinator

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Dr. Sabine Fütterer-Akili

Dr. Sabine Fütterer-Akili

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93053 Regensburg

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