Mikrofluidik und Simulation

In enger Zusammenarbeit mit der Human Med AG und dem Arbeitsbereich Zellbiologie der Universitätsmedizin Rostock ist das Ziel dieses Verbundvorhabens die Entwicklung eines geeigneten Antriebs für eine innovative Kombination von Vibrations- (PAL) und Wasserstrahl-assistierten Liposuktion (WAL). Ein Bearbeitungsschwerpunkt des Projektes stellt hierbei die Entwicklung und Anwendung neuartiger Versuchsstände zur Analyse der Fluidmechanik des erzeugten Wasserstrahls, die Vibration im Handstück sowie die Schallemission des Gerätes dar. Weitere Zielstellung ist die Analyse der Scherbelastung, die im neuartigen Verfahren auf das Fettgewebe wirkt. Untersuchungen mittels numerischer Strömungssimulation (Computational-Fluid-Dynamics Simulation) begleiten die experimentelle Analyse, um kritische Prozessgrenzen festzulegen.

Ein weiteres Ziel ist es, ein Schulungsmodell für Anwender von Vibrationsassistierter Liposuktion, Wasserstrahl-assistierter-Liposuktion und verwandten Verfahren zu entwickeln. Zielgruppen des Schulungsmodells sind bspw. Ärzte und weiteres medizinisches Personal. Der Erfolg der Behandlung durch Liposuktionsverfahren hängt sehr vom Erfahrungsgrad des Anwenders mit diesen Verfahren ab. Das neu zu entwickelnde Schulungsmodell soll einem Anwender die Möglichkeit geben, frühzeitig und ohne Gefahr für Patienten, Erfahrungen in der praktischen Anwendung von WAL, PAL und verwandten Verfahren zu sammeln. Das Schulungsmodell soll die anatomischen Gegebenheiten von bestimmten Regionen des menschlichen Körpers möglichst realitätsgetreu abbilden. Um solch ein Schulungsmodell umzusetzen, ist es das Ziel, Gewebeanaloge für Fettgewebe, Hautgewebe und die knöchernen Strukturen als auch dazu geeignete 3D-Druck-basierte Fertigungsprozesse zu entwickeln. Die Gewebeanaloge und Fertigungsprozesse sollen dermaßen entwickelt werden, dass realitätsnahe Schulungsmodelle für unterschiedlich beschaffene Körperregionen umgesetzt werden können.

Bearbeiter: Dipl.-Ing. Erik Westphal, Florian Neukirch, M. Sc.

Projektlaufzeit: 10/2023 – 09/2026

Gefördert: Ministerium für Wirtschaft, Bau und Tourismus (M-V), Operationelles Programm für den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung in Mecklenburg-Vorpommern in der Förderperiode 2021 bis 2027 (EFRE-OP M-V)

Verbundprojektpartner:

• Human Med AG, Schwerin
• Arbeitsbereich Zellbiologie, Universitätsmedizin Rostock

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen, modularen elektrohydraulischen Pumpensystems, welches im Vierquadrantenbetrieb eine Energierückgewinnung sowie einen ressourcenschonenden Einsatz erlaubt. Ziel ist die Steigerung des Druck- und Drehzahlbereichs bei kleinstem Bauraum und geringster Geräuschemission.

Das Teilvorhaben des Lehrstuhls für Mikrofluidik beschäftigt sich mit der Maximierung des Wirkungsgrads durch Optimierung der Strömungsführung. Durch den Vierquadrantenbetrieb stellt die Strömungsführung im System insbesondere bei hohen Drehzahlen und Drücken eine große Herausforderung dar. Für eine Wirkungsgradsteigerung muss bezogen auf die Betriebsart die Strömungsführung optimiert werden. Im Rahmen des Projekts sollen verschiedene geometrische Entwürfe iterativ mittels Strömungssimulation analysiert und hinsichtlich einer optimierten Strömungsführung bewertet werden. Insbesondere sind kavitationskritische sowie druckverlustkritische Stellen zu detektieren und durch geeignete Geometrieänderungen zu minimieren.

Bearbeiter:Pedram Azizi M.Sc.

Projektlaufzeit: 06/2021 - 10/2023

Gefördert: Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Gesundheit (M-V), Operationelles Programm für den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung in Mecklenburg-Vorpommern in der Förderperiode 2014 bis 2020 (EFRE-OP M-V)

Verbundpartner:

• Hydraulik Nord Technologies GmbH, Parchim
• Universität Rostock; Lehrstuhl für Getriebe- und Antriebstechnik
• Fraunhofer IGP, Rostock

Im ASiMof-Projekt entwickelt der Lehrstuhl für Mikrofluidik ein CFD-Simulationsmodell zur Bestimmung der Faserausrichtung bei der Applikation eines ausgesuchten Klebstoffes und optimiert anschließend simulativ den Klebprozess mit Hilfe dieses Modells hinsichtlilch der Faserausrichtung. Die per CFD-Simulation ermittelte Faserausrichtung soll dabei experimentell mit am Lehrstuhl für Fertigungstechnik geklebten Proben, die am Institut für Füge- und Schweißtechnik der TU Braunschweig per Mikro-CT untersucht weden, verglichen werden.

Das entwickelte CFD-Modell soll ermöglichen, die Faserausrichtung vorherzusagen, die mit Hilfe verschiedener Einflussgrößen (Form der Applikationsdüse, Applikationsgeschwindigkeit, Fügevorgang) gezielt beeinflusst werden kann. Durch die Simulation des Fließverhaltens während der Applikation und beim Fügen werden auch Einflussgrößen, die auch aus der Formulierung des Klebstoffes (Faserlänge, Faserdicke) heraus resultieren, berücksichtigt. Die Bestimmung der Ausrichtung der Kurzfasern soll mit Hilfe des Ausrichtungstensors erfolgen, welcher während des Projektes im CFD-Solver ANSYS FLUENT implementiert werden soll.

Bearbeiter:Dr.-Ing. Christoph Drobek

Projektlaufzeit: 09/2022 - 10/2024

Gefördert: AiF – Forschungsnetzwerk Mittelstand, IGF - Industrielle Gemeinschaftsforschung

Partner:

• Universität Rostock, Lehrstuhl für Fertigungstechnik, Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge
• TU Braunschweig, Institut für Füge- und Schweißtechnik IFS, Prof. Dr.-Ing. Klaus Dilger

Im Rahmen des Verbundprojekts Actiheal werden innovative Technologien zur Aktivierung und Applikation von Geweben und Zellen für die Behandlung chronischer Wunden entwickelt.
Ziel des Projektes ist die Biomodulation und klinische Applikation von regenerativ wirksamen Zellen der stromal vaskulären Fraktion für die Behandlung chronischer Wunden, welche beispielsweise bei Diabeteserkrankten auftreten (diabetischer Fuß). Diese Behandlungen sollen es ermöglichen, die Lebensqualität der Erkrankten spürbar zu verbessern und den für Diabetes typischen Komplikationen vorzubeugen.
Hierzu werden mesenchymale Stammzellen aus humanem Fettgewebe extrahiert (adipose derived mesenchymal stem cells, adMSC). Die Stammzellen werden im Anschluss mithilfe von nahinfrarotem bis zu infrarotem Licht bestrahlt (low-level-light-therapy, LLLT) bzw. mit kaltem Athmospährenplasma durchströmt und autolog appliziert. Die Vorgänge der Biomodulation sollen eine Steigerung der Proliferation (Vermehrung der Zellen durch Zellteilung) der Stammzellen zur Folge haben und somit eine Verbesserung der Wundheilung hervorrufen.
Der Lehrstuhl für Mikrofluidik der Universität Rostock hat in diesem Verbundprojekt das Teilprojekt zur Entwicklung, Fertigung und Optimierung von Mikrokanal-Kassetten zur Photobiomodulation und der Plasmabiomodulation von Zellsuspensionen und Microtissue-Clustern aus humanem Fettgewebe inne. Die Kassetten-Prototypen werden mithilfe additiver Fertigungverfahren von biokompatiblen Materialien hergestellt, was einen schnellen Optimierungsprozess ermöglicht.

Bearbeiter: Mario Thürling M.Sc. (Elternzeit); Florian Neukirch M.Sc.

Projektlaufzeit: 09/2019 bis 09/2023

Gefördert: Ministerium für Wirtschaft, Bau und Tourismus (M-V), Operationelles Programm für den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung in Mecklenburg-Vorpommern in der Förderperiode 2014 bis 2020 (EFRE-OP M-V)

Verbundprojektpartner:

• Human Med AG, Schwerin
• Arbeitsbereich Zellbiologie, Universitätsmedizin Rostock
• Kompetenzzentrum Diabetes, Klinikum Karlsburg

Im Rahmen des Verbundvorhabens HOGEMA soll die hydrostatische Hochdrucktechnologie (HHD) für die Aufarbeitung verschiedener Gewebearten aus Stütz- (Knochen, Knorpel) und Bindegewebe (Faszie) zur Herstellung von Allografts und Gewebemodellsystemen optimiert und nutzbar gemacht werden. So soll die Behandlung von Gewebedefekten mit allogenem Transplantatgewebe ermöglicht werden.

Die hydrostatische Hochdrucktechnologie (HHD) soll dabei das Gewebe schnell und schonend devitalisieren, ohne negativ auf die strukturellen Eigenschaften zu wirken. Der Lehrstuhl für Fluidtechnik und Mikrofluidtechnik der Universität Rostock ist in enger Zusammenarbeit mit dem IPT Wismar verantwortlich für die Entwicklung einer neuartigen Spülkammer. Diese dient einer teilautomatisierten, schonenden, reproduzierbaren und zeitsparenden Reinigung von HHD-behandelten Allografts unterschiedlichster Gewebe. Eine mikrobiologische Kontamination soll ausgeschlossen und Gewebereste bestehend aus Blut, Bindegewebsresten, Knochenmark, Muskulaturgewebe als auch Zellresten sollen entfernt werden. In Kombination mit der HHD-Behandlung bedient die Spülkammer das aktuelle Defizit einer wenig vereinheitlichten als auch zeit- und verfahrensintensiven Behandlung von Allografts mit chemisch aggressiven Medien. Prüfstände zu ausgesuchten mechanischen Reinigungsprinzipien werden durch den Lehrstuhl aufgebaut und neue wissenschaftliche Erkenntnisse zu optimalen Leistungsparametern erarbeitet. Dies erfolgt Hand in Hand mit den klinischen Partnern, welche Allograft-Proben bereitstellen und ihre Expertise (z.B. histologische Färbung) für eine Auswertung einbringen. Iterativ sollen unter Verwendung modernster Fertigungsmethoden (z.B. additive Fertigung) Funktionsmodelle zu einer Spülkammer erstellt werden, die den Verbundpartnern im Laufe des Projektes bereit stehen werden. Zudem wird eine Testumgebung für die Funktionsmodelle etabliert, die eine Validierung technischer Betriebsparameter als auch die Verwendung von Allograft-Proben zulässt.

Innerhalb des Verbundvorhabens HOGEMA sollen die Gewebe nach der Prozessierung umfangreich in der Zellkultur sowie in tierexperimentellen Studien charakterisiert werden, um die Machbarkeit für die spätere klinische Applikation zu prüfen. Zudem soll im Vorhaben die Bereitstellung von devitalisiertem Gewebe für die Entwicklung und Etablierung von physiologisch-ähnlichen Modellsystemen ermöglicht werden, die nachfolgend anstelle von Tiermodellen für eine Vielzahl von Fragestellungen in der Grundlagenforschung herangezogen werden sollen.