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GRK 1505:  Analysis and Simulation of Electric Interactions between Implants and Biosystems - welisa

Subject Area Electrical Engineering and Information Technology
Term from 2008 to 2017
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 55641801
 
Final Report Year 2018

Final Report Abstract

Trotz zahlreicher Erfolge mit implantierten technischen Systemen zur Unterstützung von Körperfunktionen, die durch Krankheit, Unfall oder Alter eingeschränkt wurden, besteht ein weit gespannter Forschungsbedarf mit den Zielstellungen verbesserter Funktion, höherer Verträglichkeit und längerer Haltbarkeit von Implantaten. Ein erheblicher Teil der daraus entstehenden Fragestellungen ist direkt mit einem möglichst tiefgehenden Verständnis der Prozesse an der Grenzfläche zwischen Implantat und dem umgebenden Gewebe verbunden. Dies setzt seinerseits eine detaillierte Kenntnis der dort stattfindenden elektrochemischen Vorgänge, gegebenenfalls beeinflusst durch extern angelegte elektromagnetische Felder, voraus. Die präzise modellhafte Beschreibung der Prozesse an der Grenzfläche zwischen Implantat und dem umgebenden Gewebe sowohl aus biologisch-medizinischer als auch aus physikalisch-elektrotechnischer und biophysikalisch-elektrochemischer Sicht, stellte die zentrale Forschungsidee des Graduiertenkollegs welisa dar. Zur Untersuchung dieser Prozesse wurden experimentelle Analysen zur Adhäsion und Proliferation humaner Zellen, biophysikalische Experimente zur elektrischen Kopplung von Nervenzellnetzwerken mit Sensorchips, Experimente zum Einfluss elektromagnetischer Felder auf Bakterien und humane Zellen sowie elektrische Feldberechnungen und thermodynamische Simulationen auf unterschiedlichen Größenskalen durchgeführt. Zur Beschreibung der Prozesse wurden innovative, automatisierte, statistische und systembiologische Methoden entwickelt. Zu den wichtigsten Erfolgen und Innovationen gehören numerische Volumenleitermodelle für Gehirn, Hüfte und Cochlea, Methoden zur Unsicherheitsquantifizierung, neue Biokeramiken und Verbundstoffe, ein neuartiges elektrostimulatives Hüftimplantat, automatische Aktin-Filament-Quantifizierung zur Analyse von Zelladhäsion und Topographieeinfluss, Definition von Bedingungen für das Wachstum von Biofilmen auf Implantaten sowie ein System zur Tiefen Hirnstimulation zur Langzeitstimulation in Ratten bei freier Beweglichkeit. Die gewonnenen Erkenntnisse haben direkten Bezug zur Analyse der elektrischen Wechselwirkungen zwischen Implantaten und dem Biosystem und somit zur Optimierung der Tiefen Hirnstimulation, von Cochlea-Implantaten sowie elektrostimulierenden Implantatsystemen zur Knochenregeneration für die spätere klinische Anwendung. Die Fachbereiche Medizin, Materialwissenschaft, Biophysik, Zellbiologie, Elektrotechnik, Informatik und Mathematik haben dabei eng zusammengewirkt. Die Doktorandinnen und Doktoranden waren sowohl in fachlicher wie in methodischer Sicht besonders in interdisziplinär ausgerichtete Arbeiten eingebunden. Zu ihrer Weiterqualifizierung wurden Lehrveranstaltungen, teils in englischer Sprache, individuell festgelegt. Mit seiner Forschung stärkte das GRK die Profillinien „Leben, Licht und Materie“ sowie „Altern des Individuums und der Gesellschaft“ der Universität Rostock.

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