Verlagspublikationen

In der Beschichtungsindustrie werden Metalle in einem wassergekühlten Tiegel mit Hilfe eines Elektronenstrahls geschmolzen und verdampft. Bei diesem Vorgang führt Marangoni-Konvektion im Inneren der Schmelze zu höchst unerwünschten Wärmeverlusten an den wassergekühlten Seitenwänden des Tiegels. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, wäre es deshalb günstig, die radial nach außen gerichtete Schmelzenströmung zu bremsen und die Oberfläche als Kuppel auszubilden. Die zu dieser Verformung der freien Oberfläche erforderlichen Lorentzkräfte können durch ein elektromagnetisches Feld aufgebaut werden. Für die Realisierung dieser Technik es ist nötig, die Wirkung des Magnetfeldes, d.h. die Form und Stabilität der Oberfläche zu analysieren. In der vorliegenden Arbeit wird ein Experiment vorgestellt, bei dem ein einfaches System, bestehend aus einer flachen Induktorspule und Flüssigmetall, untersucht wird. Als Flüssigmetall wird Galinstan verwendet. Galinstan ist eine Gallium-Indium-Zinn - Legierung, die bei Zimmertemperatur flüssig ist und sich somit sehr gut für Experimente eignet, da keine Vorkehrungen für hohe Temperaturen getroffen werden müssen. Der Galinstantropfen wird auf eine gewölbte Glasplatte gegeben und mit dem von einem ringförmigen Induktor erzeugten magnetischen Wechselfeld verformt. Die Oberflächenkontur des Tropfens wird mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera beobachtet. Die aufgezeichneten Daten werden mit Hilfe von Bildbearbeitungsverfahren analysiert. Im Experiment werden Induktorstrom, Tropfenvolumen und Frequenz verändert. Wird der Induktorstrom bis zu einem kritischen Strom 0A < I < Icrit erhöht, so wird der Tropfen zunächst statisch achsensymmetrisch zusammengedrückt. Bei überschreiten des kritischen Stromes I > Icrit wird dieser statische, symmetrische Zustand jedoch instabil und es bilden sich oszillierende Wellen entlang des Tropfenumfangs. Die Anzahl der Spitzen wird als Modenzahl bezeichnet. Die Abhängigkeit des kritischen Stromes, der Modenzahl und der Wellenamplitude wird über ein breites Spektrum der Frequenz und des Tropfenvolumens analysiert. Die Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz von der Modenzahl bestätigt die theorethische Vorhersage.

Die biomechanische Integrität und Leistungsfähigkeit von Gewebe und Organen beeinflusst die Gesundheit des Menschen in extremer Weise. Weitverbreitete Erkrankungen wie Hernienbildung (Eingeweidebruch) und Beckenbodendefekte (jährlich alleine zehn Million Patientinnen in den USA) stehen mit einer verminderten biomechanischen Gewebefunktionalität in einem klaren Zusammenhang. Diese exemplarisch genannten Erkrankungen, aber auch Dysfunktionen des Herz-Kreislaufsystems sind auf biomechanische Veränderungen auf zellulärer Ebene zurückzuführen. Grundlagenforschung hierzu am Menschen ist aus ethischen und praktischen Gründen, insbesondere bei der Erprobung aktiver Substanzen problematisch. In der Literatur werden zur Evaluierung biologischer Materialeigenschaften in vitro Testsysteme vorgeschlagen, welche relativ unkritisch aus Methoden der konventionellen Materialprüfung abgeleitet worden sind. Dies betrifft insbesondere einachsiale Zugversuche. Die meisten Spannungssituationen in biologischen Systemen sind aber dreiachsial oder zweiachsial. Der einachsiale Spannungszustand tritt allenfalls in dünnen Sehnenstrukturen auf. In dieser Arbeit wurde ein Messprinzip entwickelt, welches es erlaubt, Zellmonolayer und dünne Gewebeschichten unter biaxialer Belastung zu züchten und mechanisch zu analysieren. Ein grundlegender Bestandteil des Messverfahrens ist, das CellDrum genannte, Zellkultivierungsmodul. Die entwickelte CellDrum besteht aus einem biokompatiblen, Polycarbonatzylinder, welcher mit einer ebenfalls biokompatiblen, dünnen (< 1 mikron) und extrem flexiblen Siliconmembran einseitig verschlossen ist. Die Silikonmembran kann einerseits mit Zellmonolayern besiedelt werden oder dient als Halte-und Unterstützungschicht bei der Kultivierung von auf Zell-Kollagengel basierenden Gewebeäquivalenten. Die CellDrum Technologie ist universell verwendbar für beinahe jede Art der Materialprüfung dünner Schichten. Untersuchungen können prinzipiell dynamisch und quasistatisch durchgeführt werden. Im dynamischen Ansatz wird die Resonanzfrequenz und somit die Eigenspannung des Gewebeverbundes analysiert, welcher durch einen Druckimpuls zum Schwingen angeregt wird. Der quasistatische Ansatz ermöglicht die Untersuchung des Spannungs-Dehnungsverhaltens der Testmaterialien (in dieser Arbeit: Zellmonolayer und Gewebeäquivalente). Den verschiedenen Fragestellungen und Testsituationen angepasst, wurden Technologien entwickelt, die von der Herstellung flexibler, biokompatibler Membranen mit Dicken im Mikrometerbereich über Hard- und Softwarelösungen bis hin zur biomechanischen Problemanalyse zur Ableitung geeigneter biomechanischer Parameter reichten. Es war diese extreme Interdisziplinarität zwischen Zell- und Molekularbiologie, Polymerchemie, Mechanik und anderen Ingenieurwissenschaften, die gleichermaßen gut beherrscht werden mussten, was die Herausforderung dieser Arbeit darstellte. Zellbasierte Systeme reagieren hinsichtlich Orientierung, Morphologie, Stoffwechsel sowie Protein- und Genexpression auf Veränderungen ihrer mechanischen Umgebung. Diese Problematik wurde bei der CellDrumkonzeption bedacht, experimentell evaluiert sowie technisch und theoretisch realisiert. Neben den zuvor genannten Problemlösungen mussten Tests zur Eignung verschiedener Adhäsionsproteine durchgeführt werden. Ungeeignete Proteine zeigten im statischen Spannungszustand biokompatibles Verhalten; bei dynamischer Belastung initiierten dieselben Proteine ein Zellsterben. Ein anderes, nicht kleines Problem war die Verankerung des Randes der künstlichen Gewebeschicht an der Peripherie. Das Zusammenspiel zwischen Gewebespannung, Zellproliferation und Zellkonzentration wurde in der Vergangenheit mit verschiedenen Verfahren experimentell analysiert. Die Neuheit des in dieser Arbeit beschriebenen Verfahrens besteht darin, die Zellverbände über lange Zeiten (Wochen) statisch oder dynamisch unter genau definierten mechanischen Randbedingungen kultivieren zu können und gleichzeitig die Möglichkeit zu haben, den mechanischen Spannungszustand des gezüchteten Konstruktes zu beliebigen Zeiten zu messen. Es wurde hier der Zusammenhang zwischen Gewebespannung und Zellproliferation für mit Fibroblasten besiedelte Gewebeäquivalente exemplarisch dargestellt. Die gewonnenen Erkenntnisse, insbesondere Plateaueffekte bei der Gewebespannungsgeneration, lassen aufschlussreiche Rückschlüsse auf die Spannungshomeostase im Gewebe zu. Die Stimulierung von Gewebeäquivalenten durch Wirkstoffe und die Variation von Prozessparameteren während der Zellkultivierung bestimmen Eigenspannung und E-Modul des Messobjektes mit. Durch die Anpassung bestehender Verfahren der Mikrosystemtechnik konnte ein Verfahren in die biologische Materialprüfung transferiert werden. Dieses quasistatische Verfahren ermöglicht die Messung von Gewebeeigenspannung und E-Modul in nur einem Messdurchlauf.Die Zellaktivität (Morphologie, Metabolik, Protein- und Genexpression) wird durch ihr mechanisches Umfeld determiniert. Viele in der Literatur beschriebene Messverfahren induzieren ein inhomogenes Spannungsfeld mit van Mieses Vergleichsspannungen, die im selben Gewebekonstrukt um mehr als 75% variieren. Die kreisrunde Geometrie der CellDrum erlaubt ein weitestgehend homogenes Spannungsfeld. Zur Untersuchung von autolog und synchron schlagenden Kardiomyozyten (Herzmuskelzellen) wurden geeignete Zellkulturtechniken entwickelt, um diese als Monolayer oder Gewebeäquivalente mit der CellDrum Technik untersuchen zu können. Es wurde eine Methode entwickelt, um primäre Kardiomyozyten aus zehn Tage alten Embryos angebrüteter Hühnereier zu gewinnen. Die Methode wurde später mit einem Partner auf neonatale Rattenmyocyten transferiert. Zur Entwicklung, Optimierung und Standardisierung zellbiologischer Messprotokolle ist insbesondere die Möglichkeit einer optischen Überwachung während der Kultivierungsphase von großer Bedeutung. Die Möglichkeit der kontinuierlichen mikroskopischen Evaluierung, bei gleichzeitig minimaler Störung der Messumgebung ist einmalig und in der beschriebenen Apparatur gewährleistet. In allen Anwendungen ist für die Interpretation von Meßdaten auch die Zelldichte ein entscheidender Parameter. In Verbindung mit einem invertierten konfokalen Lasermikroskop können Zelldichte und Orientierung während der Kultivierungsperiode ermittelt werden. Neben der weitgehend unbefriedigenden biomechanischen Situation früherer Methoden, war oft auch die Versuchsdurchführung kritisch, kompliziert und fehlerbehaftet. Zum Sekundärscreening potentieller therapeutischer Wirksubstanzen müssen zehntausende Substanzen funktionell getestet werden. Das CellDrum-Verfahren liefert als bisher einzige Technik die Grundlage für ein automatisierbares Hochdurchsatz-Screening-Konzept. Dies wurde an Fibroblasten-Kollagen Verbunden exemplarisch gezeigt.

Nanopositionier- und Nanomessmaschinen (NPM-Maschinen) sind Werkzeuge, die den Zugang zum Nanometerbereich ermöglichen. Durch die spezielle Konstruktion der Maschinen ist es möglich, auch in großen Arbeitsbereichen (Ziel: 350 x 350 x 50 mm&dzcy;), Objekte mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern zu positionieren und mithilfe geeigneter Messsysteme zu vermessen. Die denkbaren Einsatzgebiete sind dabei nicht auf die Vermessung nanostrukturierter Bauteile begrenzt, sondern dringen durch die Entwicklung geeigneter Nanowerkzeuge auch in den Bereich der gezielten Bearbeitung kleinster Objekte vor. Durch den Einsatz geeigneter Programme werden die Fachleute auf dem Gebiet der Messtechnik in die Lage versetzt, die Leistungsfähigkeit der NPM-Maschine auszunutzen, ohne selbst zu Softwarespezialisten werden zu müssen. Die vorliegende Dissertation zeigt die Ergebnisse des Entwurfs einer modularen Steuerung für Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. Die wichtigsten Ergebnisse der Dissertation sind zunächst der vollständige Entwurf eines NPM-Maschinenbefehlssatzes auf der Basis des Datenformates XML. Dieser spezielle Datensatz bildet die Grundlage für einen grafischen Programmeditor zur Erstellung von Messprogrammen für NPM-Maschinen. Der Bediener kann mithilfe des Editors auf grafischem Wege, unterstützt durch entsprechende Dialoge zur Parametrierung der Befehle, umfangreiche Messprogramme erstellen. Diese werden ebenfalls in Form von XML-Dateien gespeichert. Die Abarbeitung der Messprogramme wird von einem neu programmierten Interpreter realisiert. Dieser dient der Steuerung des Programmablaufes und der Überwachung von Fehlerzuständen. Ein weiterer wichtiger Teil der Dissertation beschäftigt sich mit den Teleservicefunktionen für NPM-Maschinen. Die Ergebnisse zahlreicher Untersuchungen zu Technologien zur Realisierung verteilter Anwendungen führten zur Entwicklung eines Webdienstes, der der Maschinendiagnose dient. An einem weiteren Beispiel in Form einer Handsteuerung für die NPM-Maschine wurden die Möglichkeiten der Fernsteuerung und die Echtzeitvisualisierung des Maschinenzustandes demonstriert. Für alle aufgeführten Gebiete werden die damit im Zusammenhang stehenden Technologien ausführlich beschrieben.

Arbeitsplatzrelevantes Wissen und Können haben aus einzel- und gesamtwirtschaftlicher Sicht eine große Bedeutung. Da es sich aufgrund inter- und intrasektoraler Prozesse stetig verändert, müssen die Beschäftigten regelmäßig an Weiterbildungsmaßnahmen teilnehmen. Verschiedene Erhebungen zur beruflichen Weiterbildung kommen zu dem Schluss, dass die Arbeitnehmer in Deutschland bislang nur in unzureichendem Umfang an entsprechenden Maßnahmen teilnehmen. Da Weiterbildungen in der bildungsökonomischen Literatur als Investitionen betrachtet werden, erstaunen diese empirischen Befunde und es stellt sich unweigerlich die Frage nach den Ursachen. Die vorliegende Monographie trägt zu einer Beantwortung dieser Frage bei, indem sie aufbauend auf der traditionellen und in der Bildungsliteratur anerkannten Humankapitaltheorie, erstmals eine Analyse der Anreizwirkungen institutioneller Rahmenbedingungen für die individuelle Weiterbildungsentscheidung durchführt. Im Mittelpunkt stehen relevante Aspekte des Kündigungsschutz- und Steuersystems sowie der verschiedenen Sozialversicherungssysteme. Auf der Basis eines Vorteilhaftigkeitskalküls werden daher Modellrahmen entwickelt, die jeweils verschiedene institutionelle Faktoren beinhalten. Mit Hilfe dieser Modellansätze werden die institutionellen Einflüsse auf die Erträge und die Amortisationsdauer einer Maßnahme sowie deren Auswirkungen auf die Weiterbildungsanreize der Arbeitnehmer analysiert. Es ist ein wesentliches Ergebnis der vorliegenden Arbeit, dass vor dem Hintergrund der wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Strukturveränderungen eine Teilnahme an Weiterbildungen nur dann einzelwirtschaftlich rational und damit gesellschaftlich attraktiv sein kann, wenn entsprechende Belohnungs- und Sanktionsmechanismen existieren.