MORPHOPHYSICS Arbeitsgruppe

Die Fähigkeit von biologischem Gewebe sowohl das äußere Erscheinungsbild, als auch die innere Struktur zu ändern, ist die Ursache für das Wachstum von Organismen, ihre Anpassung an die Umwelt und die Regeneration nach Verletzungen. Formänderungen können dabei auch Funktionen in Gewebe ohne aktiven Stoffwechsel einnehmen. Dies geschieht beispielsweise bei der Pollenverbreitung bei Pflanzen. Solche morphogenetischen Prozesse werden durch biochemische und genetische Signale innerhalb der physikalischen Randbedingungen ihrer Umgebung übermittelt.

Die Bedeutung dieser physikalischen Bedingungen wurde in den letzten Jahren dadurch verdeutlicht, dass Zellen und wachsendes Gewebe tatsächlich auf mechanische Signale reagieren. Derartige Signale entstehen vermutlich durch eine Belastung die auf die äußere Grenzschicht wirkt. Sie können ebenfalls durch Druck erzeugende Prozesse im inneren des Gewebes auftreten. 

In unserer Forschungsgruppe versuchen wir zu ergründen wie mechanische und geometrische Randbedingungen das Wachstum und Anschwellen von Gewebe beeinflussen. Um Ergebnisse für diese Annahmen herbeizuführen, verwenden wir theoretische und experimentelle Methoden. Die folgenden Forschungsschwerpunkte beruhen auf der Zusammenarbeit mit Prof. Peter Fratzl vom Max Planck Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Abteilung Biomaterialien, in Potsdam.

Gewebewachstum

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Abbildung 1: konfokales Mikroskopbild von Actin-gefärbtem wachsenden Gewebe auf wellenförmigen Flächen (Gamsjaeger et al. 2013)

Gewebewachstum wird zusätzlich zu der Tatsache, dass es durch biochemische und genetische Faktoren kontrolliert wird, auch durch physikalische Eigenschaften der lokalen Zellumgebung, wie beispielsweise Festigkeit und Form beeinflusst. Wir sind insbesondere daran interessiert zu zeigen, wie die lokale Geometrie, genauer gesagt die Krümmung der Oberfläche des Substrats, die Rate der Zellvermehrung (und daher auch das Gewebewachstum) beeinflusst. Unser Ziel ist es, theoretische Modelle für Gewebewachstum mit 4D Mikroskopiemethoden von in-vitro Zellkulturexperimenten zu kombinieren. Daraus resultierend soll der Einfluss des Wachstumsverhalten auf die Krümmung dargelegt werden. Die verwendeten Modelle dienen dazu, die Rolle der Geometrie auf Prozesse, wie Knochenheilung oder Umbau, zu verstehen.

Veränderbare Materialien

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Abbildung 2: Gedruckte quellfähige Honigwaben vor und nach einer Aufschellung (Guiducci et al,2015)

Grund für die Untersuchung dieser Thematik waren sind anderem hydroskopische Bewegungen pflanzlicher Organe, wie sie beispielsweise in Tannenzapfen oder anderen Pflanzen mit vergleichbarer Saatverbreitung auftreten. Das besondere an diesen Systemen ist, dass ihre Organe sowohl die Struktur, als auch die Grundversorgung repräsentieren. Ihre Art der Bewegung wird durch die geometrische Anordnung der einzelnen Bestandteile eines Gewebes mit unterschiedlichen Quellfähigkeiten bestimmt. Der Schwerpunkt dabei liegt auf dem Erstellen von 3D Modellen in Zusammenarbeit mit Biologen, um die Öffnungsmechanismen von verschiedenen Pflanzenteilen zu verstehen. Die gewonnenen Resultate aus dieser Forschung können in Zusammenarbeit mit Chemikern auf die Entwicklung neuer biometrische Verbundstoffe angewendet werden, die häufig Anwendung in der 3D-Drucktechnologie finden.

Strukturelle Beziehungen in biologischen Material

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Abbildung 3: Darstellung von Materialeigenschaften von biologischen Materialien basierend auf (Wegst and Ashby, 2004).

Obwohl es sehr viele Arten und Formen von Gewebe in der Natur gibt, lässt sich mit Überraschung feststellen, dass der Großteil von strukturellen Gewebe nur aus einer begrenzten Anzahl an Komponenten aufgebaut ist. Der große Anwendungsbereich des Materials beruht auf der Tatsache, dass Gewebe im Grunde genommen Verbundmaterial ist, das die verschiedenen physikalische Eigenschaften jeder einzelnen Komponente in sich vereint. Die Vielzahl an verschiedenen Eigenschaften die aus den gleichen Komponenten entstehen können, basiert auf der genauen Anordnung und Strukturierung der "Bauteile" bei unterschiedlichen Größeneinheiten, wie auch der Anordnung und Art der Verbindungen. Daher ist es unser Ziel, die auftretenden Mikrostrukturen zu ergründen und ihren Ursprung zu erläutern. Durch Aufschlüsselung dieser Prinzipien könnten bedeutende Fortschritte in der Entwicklung synthetischer Stoffe erzielt werden.

Simulation aktiver Teilchenbewegung

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Abbildung 4: Die aktive Bewegung von Teilchen auf einer Ellipsoidoberfläche resultiert in einem schwarmartigen Umfließen eines zentralen Punktes(Ehrig et al 2017)

Wenn sich selbständig bewegende Teilchen mit einer ausreichenden Zahl an anderen Teilchen in einem gewissen Raum gegenseitig beeinflussen, enstehen komplexe Fließmuster. In der Natur gibt es dazu zahlreiche Beobachtungen, wie das Schwarmverhalten von Fischen oder Insekten und die Flugformationen von Vögeln. Die Herausforderung dabei besteht in der Anwendung dieses Prinzips auf Objekte in abgeschlossenen gekrümmten Systemen. Dabei konnte man feststellen, welchen Einfluss die räumliche Struktur und Krümmung auf die Musterbildung hat. Diese Art der Modelle können bei der Anordnung aktiv angetrieben biologischen Einheiten, wie Zellen, Anwendung finden, um zu verstehen wie Zellwachstum organisiert ist.

 

 

 

 

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    Im Rahmen der Reihe „MUSIK & MEDIZIN“ organisiert der Kooperationsschwerpunkt Wissenschaft und Kunst am 3. Februar 2021 einen weiteren Online-Vortrag:
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