Bild des Monats

Mikrostruktur der Magenwand

Ob Herzklappen, Harnblasen oder Luftröhren: Durch Gewebekonstruktion und Gewebezüchtung, dem sogenannten Tissue Engineering, konnten diese Organe bereits erfolgreich künstlich bei Patient*innen ersetzt werden. Andere Organe, wie der Magen, sind noch wesentlich komplexer aufgebaut. Sie bestehen aus verschiedenen Geweben, aus unterschiedlichen Zelltypen und sind zudem von unzähligen Blutgefäßen durchzogen. Um die Lebensqualität von Patient*innen mit einer Magenresektion durch eine neue Magerersatztherapie zu erhöhen, erforscht das Biomechanik-Labor des Instituts für Mechanik und Adaptronik die mechanischen Eigenschaften eines gesunden Magens auf verschiedenen Größenskalen.

Histologischer Schnitt durch die Magenwand. Es sind die unterschiedlichen Schichten zu erkennen. Glatte Muskulaturzellen sind gelb, Kollagen rot und Fett ist weiß eingefärbt. Balken: 1 mm. Bildnachweis: Institut für Mechanik und Adaptronik/TU Braunschweig

Mechanische Eigenschaften verstehen

Die Magenresektion, die teilweise oder vollständige chirurgische Entfernung des Magens, hat sich zu einem zuverlässigen Eingriff entwickelt, um eine vollständige Entfernung der Tumorläsion zu erreichen. Trotz ihres Heilungspotenzials sind Komplikationen nach wie vor ein häufiges klinisches Problem, das mit einer deutlichen Einschränkung der Lebensqualität einhergeht. Um die Lebensqualität zu verbessern, wurden verschiedene Magenersatztechniken entwickelt, wobei ein wesentlicher Kritikpunkt die anschließend begrenzte Kapazität für die Nahrungsaufnahme ist. Eine Alternative kann ein mittels Tissue Engineerings hergestellter Magen bzw. Teilmagen sein. Diese Art der Gewebekonstruktion hat ein enormes Potenzial für die regenerative Medizin.

Zur erfolgreichen Realisierung einer solchen Idee, sollten ideale Materialien im Sinne des Tissue Engineering biologische Kompatibilität und mechanische Zuverlässigkeit aufweisen. Dafür ist es notwendig, die mechanischen Eigenschaften des gesunden Magens auf verschiedenen Größenskalen vollständig zu verstehen.

In einem Forschungsprojekt beschäftigt sich das Institut für Mechanik und Adaptronik in ihrem Biomechanik-Labor mit der experimentellen, Multiskalencharakterisierung des Magens, das heißt von der einzelnen Zelle über das Magengewebe bis hin zum gesamten Magen. Das mechanische Verhalten von Ingenieurmaterialien wird durch ihre heterogene Mikrostruktur beeinflusst. Auf Grund großer Längenskalenunterschiede ist es meistens nicht möglich, diesen Einfluss in Bauteilsimulationen explizit zu erfassen. Daher setzt das Biomechanik-Labor des Instituts auf Multiskalen-Ansätze in der Materialmodellierung. Die heterogene Mikrostruktur wird auf einer kleinen Längenskala explizit und mit Hilfe numerischer Homogenisierung ihr Einfluss auf das makroskopische Materialverhalten in gemittelter Form bestimmt. Dabei werden nicht nur die passiven Eigenschaften auf den unterschiedlichen Längenskalen bestimmt, sondern auch die aktiven Eigenschaften, die notwendig sind, um den Magenbrei innerhalb des Magens zu transportieren und zu zerkleinern.

Der Magen, als wichtigster Teil des gastrointestinalen Traktes, ist ein J-förmiges, kontrahierendes Organ, das sich zwischen der Speiseröhre und dem Zwölffingerdarm befindet und an Bändern im Körper verankert ist.

Ein mit Salzlösung gefüllter Magen. Es sind deutlich die Bänder zu erkennen, an denen der Magen im Körper aufgehangen ist. Balken: 5 cm. Bildnachweis: Institut für Mechanik und Adaptronik/TU Braunschweig

Wesentlich für die drei Hautaufgaben des Magens – speichern, zerkleinern und Transport des Speisebreis – ist die hoch strukturierte Mikrostruktur der Magenwand. Mittels immunhistologischer Techniken wurden am Institut für Mechanik und Adaptronik die Mikrostruktur der Magenwand optisch sichtbar gemacht.

Mikrostruktur der Magenwand

Bei dem histologischen Schnitt durch die Magenwand sind die Muskelzellen gelb, Kollagen rot und Fettstrukturen weiß eingefärbt. Es ist leicht ersichtlich, dass die Magenwand unterschiedliche Schichten aufweist, die die komplexen mechanischen Eigenschaften, sowohl aktiver als auch passiver Art, ermöglichen. Wie die Studie zeigt, kontrolliert die Mikrostruktur das makromechanische Verhalten der Magenwand. Auch zeigt das Projekt, dass die Mikrostruktur der Magenwand von der Magenwandposition abhängt. So wird der Magen anatomisch in Fundus, Corpus und Antrum unterteilt. Auch hier zeigen sich im Vergleich deutlich unterschiedliche Mikrostrukturen, was unter anderem die komplexen Magenwandkontraktionen erklärt.

Fotorealistische dreidimensionale Rekonstruktion der Magenwand im Fundus, Corpus und Antrum auf Grundlage von histologischen Schnitten. Bildnachweis: Institut für Mechanik und Adaptronik/TU Braunschweig

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden jüngst in der international renommierten Fachzeitschrift Acta Biomaterialia veröffentlicht. Diese Daten dienen weiterhin dazu, Multiskalen-Mehrfeld-Modelle zu entwickelt, die das Kontraktionsverhalten des Magens sehr eindrucksvoll beschreiben können. Ein erster numerischer Ansatz wurde ebenfalls in Acta Biomaterialia veröffentlicht. Zukünftig wird das Modell Forschenden bei der Vorhersage von Magenkontraktionen, – auch an erkrankten Mägen – dienen, was ein jüngster Buchbeitrag unterstreicht.

 


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Bilder vergangener Monate

Bild des Monats August

Oregano macht den Menschen froh und Insekten ebenso! – das könnte der Wahlspruch zu unserem Bild des Monats sein. Oregano ist ein unverzichtbares Gewürz in der italienischen Küche, doch besitzt er darüber hinaus zahlreiche positive Eigenschaften für Mensch und Umwelt. Im Arzneipflanzengarten des Instituts für Pharmazeutische Biologie der Technischen Universität Braunschweig, ist neben dem allseits bekannten mediterranen Oregano auch der heimische Wilde Oregano zu finden. Weiterlesen

Bild des Monats Juli 2022

Mit dem TEM lässt sich ein Blick auf atomare Struktur des Halbleiters Galliumnitrid (GaN) werfen. Bildnachweis: Daesung Park/TU Braunschweig

Elektronenmikroskop ist nicht gleich Elektronenmikroskop. Seit dem ersten Aufbau von 1931 erarbeiten Forschende mit hohem Aufwand immer höhere Auflösungen. Das stärkste Elektronenmikroskop der TU Braunschweig, das TEM, ist daher im Forschungszentrum LENA völlig abgeschottet von mechanischen Schwingungen (wie vorbeiratternde Straßenbahnen) und magnetischen Feldern (wie dem Erdmagnetfeld). Weiterlesen

Bild des Monats Juni 2022

Dreidimensionale Kristallstrukturen sollen UV-LEDs in Zukunft effizienter machen. Bildnachweis: Hendrik Spende, Christoph Margenfeld/ TU Braunschweig

UV-Licht hat ein breites Anwendungsspektrum: Je nach Wellenlänge und Energieintensität des Lichts können UV-LEDs Flächen und Wasser entkeimen, Tomaten besonders schmackhaft wachsen lassen oder in der Dermatologie für Hautbehandlungen eingesetzt werden. Der Wirkungsgrad der „unsichtbaren“ UV-LEDs ist jedoch noch ausbaufähig. Daran forscht ein Team im Institut für Halbleitertechnik. Ihr Ansatz: Die Kristallschichten innerhalb der UV-LEDs werden dreidimensional als Mikrostruktur angelegt statt wie bisher als zweidimensionale Scheibe. Analysen unter dem Elektronenmikroskop – wie hier auf dem Bild des Monats Juni zu sehen – lassen auf eine hohe Effizienz der so konstruierten UV-LEDs schließen. Weiterlesen

Bild des Monats Mai 2022

Ein ungewöhnlicher Blick auf Braunschweig: Das SpACE Lab visualisierte die nutzerzentrierte Kategorisierung von Straßensegmenten. Bildnachweis: SpACE LabTU Braunschweig

Welche Rolle spielt eine Straße im Gesamtnetz? Und wie stehen die einzelnen Teile des städtischen Straßennetzes zueinander? Damit beschäftigt sich das SpACE Lab des Institute for Sustainable Urbanism (ISU) der Technischen Universität Braunschweig. Das „Spatial Analytics and Crossdisciplinarity Experimentation Lab“ entwickelt datengetriebene Methoden und Lösungen für eine menschenzentrierte nachhaltige Mobilität. In der hier gezeigten Arbeit konzentriert sich das interdisziplinäre Team darauf, eine netzwerkbasierte Kategorisierung von Straßensegmenten zu entwickeln. Damit können beispielsweise Aussagen über die Qualität des Netzwerks für unterschiedliche Verkehrsteilnehmer*innen getroffen werden. Wie diese Kategorisierung visualisiert wird, zeigt unser Bild des Monats Mai. Weiterlesen

Bild des Monats April 2022

Detailaufnahme eines speziellen Stück Stoffes, das sich in einem EKG-T-Shirt befindet. Bildnachweis: Markus Hörster/TU Braunschweig

Unser Bild des Monats April 2022 zeigt nicht etwa eine Landschaft auf einem fernen Planeten, sondern ein spezielles Gewebe. Das etwa vier mal zwei Zentimeter große Stück Stoff befindet sich an verschiedenen Stellen an der Innenseite eines sogenannten EKG-T-Shirts. Es dient dazu, ein Elektrokardiogramm (EKG) zu messen, ohne dass die Patient*innen etwas davon merken. Das Peter L. Reichertz Institut für Medizinische Informatik (PLRI) der Technischen Universität Braunschweig und der Medizinischen Hochschule Hannover forscht damit an der Zukunft des Gesundheitsmonitorings. Weiterlesen

Bild des Monats März 2022

Scan eines Bodenradars aus dem Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge. Bildnachweis: IMN/TU Braunschweig

Scan eines Bodenradars aus dem Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge. Bildnachweis: IMN/TU Braunschweig

Auf dem Bild zu sehen ist ein Scan eines Bodenradars. Er zeigt unveränderliche Objekte im Boden. Verknüpft man die Daten mit der Position aus Lasermessungen, kann eine daraus entwickelte Karte zur Navigation von mobilen Robotern genutzt werden. Ein Laser oder Kameras wären dann nicht mehr nötig. Dazu forscht das Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge im Projekt „LoBaBo“. Weiterlesen

Bild des Monats Februar 2022

Der Winterling hat bereits im Februar mit seinen knallgelben Blüten seine große Stunde. Bildnachweis: Michael Kraft/TU Braunschweig

Da sind sie, die ersten frühen Blüher im Botanischen Garten stecken ihre Köpfchen heraus. Der heimische Winterling ist einer der Schnellsten. Er hat mit seinen knallgelben Blüten bereits im Februar seine große Stunde. Unter den noch blätterlosen Bäumen bilden die kleinen Knollenblumen dichte Blütenteppiche und setzen leuchtende Farbakzente. Grund genug, die Pflanzen in unserem Bild des Monats etwas genauer unter die Lupe zu nehmen. Weiterlesen

Bild des Monats Januar 2022

Blick in das Innere des Gaschromatographen der Battery LabFactory Braunschweig (BLB). Bildnachweis:
Dominik Emmel, Daniel Schröder/ TU Braunschweig

Für die Forschenden ist das im Bild des Monats zu sehende Headspace-GC/MS-System eine mit Spannung erwartete Erweiterung für die Batterieanalytik. Es wurde für die Diagnosestraße der BLB angeschafft. Damit ist es nun möglich, die Alterung von Batterien besser verstehen und langlebigere Batterien entwickeln zu können. Es handelt sich um ein System zur Analyse von Flüssigelektrolyten oder löslicher Oberflächenablagerungen in den Komponenten einer Batterie. Weiterlesen

 

Weitere Beiträge zum Bild des Monats finden Sie in unserem Magazin.