Aktuell freie Themen des BioMEMS-Seminars
Seminarthema 1:
„Negativer Druck“ in Natur und Technik
Wassermoleküle in der flüssigen Phase entwickeln starke Kohäsionskräfte, die einer angelegten Zugspannung entgegen wirken. In der Flüssigkeit kann sich daher ein Druck aufbauen, der unter dem Vakuumdruck liegt (sog. „negativer Druck“). In der belebten Natur ist dieses Phänomen in verschiedenen Zusammenhängen zu beobachten; in höheren Pflanzen hat es eine große Bedeutung beim Langstreckentransport von Wasser und Nährstoffen aus der Wurzel in die Blätter durch das Xylem, ein verzweigtes Röhrensystem, das die ganze Pflanze durchzieht. Wenn der Druck in den Gefäßen unter Vakuum fällt, beträgt die Differenz zum Atmosphärendruck mehr als ein bar, und Wasser kann selbst in hohen Bäumen gegen die Schwerkraft transportiert werden, ohne dass eine Pumpe benötigt wird. Es hat immer wieder Versuche gegeben, dieses Prinzip technisch zu nutzen. Allerdings tritt dabei ein entscheidendes Problem auf: Unter negativem Druck ist flüssiges Wasser in einem metastabilen Zustand; es kann sich spontan eine Gasphase ausbilden (sog. Kavitation), was mit einem Druckanstieg auf Werte über Vakuum verbunden ist und zu einem Abbau des Druckgradienten führt. Wie die Pflanze damit umgeht, und welche Rolle negative Drücke tatsächlich beim Wassertransport gegen die Schwerkraft spielen, ist nach wie vor ungeklärt und hoch umstritten.
Diese Zusammenhänge sollen im Rahmen eines Seminarvortrages dargestellt werden. Ausgehend von den thermodynamischen Grundlagen und der Situation in der Natur sollen Möglichkeiten der Umsetzung in der Technik dargestellt und bewertet werden.
Literatur zum Einstieg:
Bentrup FW: Neue Experimente zur Kohäsionstheorie des Wasseraufstiegs in Bäumen und Lianen. Oberhessische Naturwiss. Zeitschrift Bd. 60
Balling A, Zimmermann U, Büchner K-H, Lange OL (1988) Direct measurement of negative pressure in artificial-biological systems. Naturwissenschaften 75, 409-411
Wheeler TD & Stroock AD (2008) The transpiration of water at negative pressures in a synthetic tree Nature 455, 208-212
Seminarthema 2:
Das Blatt als ein mikrofluidisches System
Über die Blattoberfläche werden während des Tages große Wassermengen an die Atmosphäre abgegeben (sog. Transpiration). Dieses Wasser muss ständig über den Blattstiel nachgeführt und „bedarfsgerecht“ über die gesamte Blattoberfläche verteilt werden. Hierzu dient das Xylem, ein Netzwerk von Gefäßen, dessen Struktur sich in der Blattnervatur abbildet. In höheren Pflanzen sind unterschiedliche Verzweigungsmuster (abhängig von der Blattform und der Stellung in der Evolution) verwirklicht, die sich in ihrer Effizienz unterscheiden. Ein Überblick über die Untersuchungsmethoden und die wesentlichen Resultate soll in einem Seminarvortrag gegeben werden, und mögliche Übertragungen in die Technik sollen diskutiert werden.
Literatur zum Einstieg:
Noblin X, Mahadevan L, Coomaraswamy IA, Weitz DA, Holbrook NM, Zwieniecki MA (2008) Optimal vein density in artificial and real leaves. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 105, 9140-9144
Roth-Nebelsick A, Uhl D, Mosburger V, Kerp H (2001) Evolution and Function of leaf venation architecture: A review. Annals of Botany 87, 553-566
Sack L, Holbrook NM (2006) Leaf hydraulics. Annual Review of Plant Biology 57, 361-381
Zwieniecki MA, Melcher PJ, Boyce CK, Sack L, Holbrook NM (2002) Hydraulic architecture of leaf venation in Laurus nobilis L. Plant Cell and Environment 25, 1445-1450
Seminarthema 3:
Methoden der Flussmessung in Mikrokapillaren
Die Messung des Volumenflusses (Flussgeschwindigkeit) in feinen Kapillaren ist von großer Bedeutung in der Physiologie der Tiere und Pflanzen, also der „biologischen Mikrofluidik“, aber auch in der Mikrotechnik. Oft ist das Innere der Gefäße nicht direkt zugänglich, so dass nicht-invasive Methode eingesetzt werden müssen. Hierfür stehen eine Reihe von Techniken zur Verfügung, die sich in ihrem physikalischen Prinzip und ihrem Anwendungsbereich unterscheiden: Optische Techniken (Transport von Farbstoffen); Asymmetrische Wärmeausbreitung („Heat pulse“ bzw. „heat balance“ Technik); Ausnutzung des Doppler-Effektes, Magnet-Resonanztomografie. Die Techniken sollen vorgestellt werden, und ihre Vor- und Nachteile und der daraus resultierende Anwendungsbereich sollen erläutert werden.
Literatur zum Einstieg:
Jayanthy AK, Sujatha N, Ramasubba Reddy M (2011) Non-Invasive Capillary Blood Flow Measurement: Laser Speckle and Laser Doppler. World Academy of Science, Engineering and Technology 53
Van As H, Schaafsma TJ (1984) Noninvasive measurement of plant water flow by nuclear magnetic resonance. Biophysical Journal 45, 469-472
Seminarthema 4:
Modellierung des Wassertransportes im Gefäßsystem der Pflanzen
Das Xylem der höheren Pflanzen ist ein redundant aufgebautes, stark verzweigtes System von kommunizierenden Röhren. In Kenntnis der Gefäßanatomie kann der laminare Fluss modelliert werden. Hierfür gibt es verschiedene Ansätze in der Literatur. Für „Computer-affine“ Kandidaten ergibt sich hier ein interessantes Betätigungsfeld mit Bezügen sowohl zur Ökologie als auch zur Technik.
Literatur zum Einstieg:
Loepfe L, Martinez-Vilalta J, Pinol J, Mencuccini M. (2007). The relevance of xylem network structure for plant hydraulic efficiency and safety. Journal of Theoretical Biology 247 (4): 788-803.
Price CA, Symonova O, Mileyko Y, Hilley T, Weitz JS (2011) Leaf extraction and analysis framework graphical user interface: Segmenting and analysing the structure of leaf veins and areoles. Plant Physiology 155, 236-245
Rolland-Lagan AG, Amin M, Pakulska M (2009) Quantifying leaf venation patterns: Two-dimensional maps. Plant Journal 57, 195-205
Seminarthema 5:
Gefäßembolien in Pflanzen: Wie entstehen sie, und wie kann die Pflanze sie „reparieren“.
Das Gefäßsystem der Pflanzen funktioniert, zumindest partiell, bei Drücken unter Vakuum und ist daher anfällig für Kavitationen und daraus resultierende Embolien. Inzwischen ist weitgehend akzeptiert, dass viele Gefäße im Tagesverlauf Embolien ausbilden, die aber von den umgebenden Zellen durch einen temporären Überdruck beseitigt werden. Der genaue Mechanismus der Beseitigung von Embolien ist aber noch nicht verstanden und ist Gegenstand der Forschung. Hierzu soll im Rahmen des Seminarvortrages ein Überblick gegeben werden. Eine mögliche Übertragung der Prinzipien in die Technik soll diskutiert werden.
Seminarthema 6
- Atherektomie, Abtragung von Gefäßablagerungen: Konstruktion und Anwendungsbereiche
Seminarthema 7
- Vorrichtungen zum chirurgische Verschluss von intrakraniellen Aneurysmen
Seminarthema 8
- Elektroden zur Neuromodulation: Aufbau und Anwendungsbereiche
Seminarthema 9
- Intelligente Katheter für Diagnostik und Therapie