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dc.contributor.advisor Lauterborn, Werner Prof. Dr. de
dc.contributor.author Wolfrum, Bernhard de
dc.date.accessioned 2004-02-26T15:33:07Z de
dc.date.accessioned 2013-01-18T13:33:25Z de
dc.date.available 2013-01-30T23:50:59Z de
dc.date.issued 2004-02-26 de
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B559-3 de
dc.description.abstract Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Effekten der Kavitation und Stoßwellen in Systemen von biologischer oder medizinischer Relevanz. Der Schwerpunkt liegt dabei auf hochgeschwindigkeits-mikroskopischen Untersuchungen der Kavitationsblasendynamik nach Druckanregung und resultierender Auswirkungen auf Zellen. Hierzu zählen Zellschädigung, transiente Membranpermeabilisierung und die Ablösung adhärenter Zellen von einem Substrat.Im experimentellen Teil dieser Arbeit werden verschiedene Methoden zur Blasenerzeugung und ihrer Anregung verwendet. In einem ersten Ansatz werden Mikroblasen in der Nähe fester Grenzflächen durch eine laserinduzierte Stoßwelle angeregt. Ein hochgeschwindigkeits-mikroskopischer Aufbau dient dabei zur Untersuchung der Einflüsse benachbarter Blasen und Grenzflächen auf das Schwingverhalten. Die Blasendynamik wird außerdem mit einem Keller-Miksis Modell numerisch berechnet und mit den experimentellen Radius-Zeit-Kurven verglichen. Des Weiteren wird die Auswirkung der Dynamik von Mikroblasen auf benachbarte Zellen in vitro untersucht. In diesem Fall werden die Blasen durch Ultraschallkontrastmittel erzeugt und mit der Druckwelle eines elektrischen Durchbruchs angeregt. Mikroskopische Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zeigen, dass selbst geringe Unterdruckamplituden von weniger als 1 MPa ausreichen, um die Blasen auf mehr als das 30 fache ihres Ursprungsradius aufzuziehen. Benachbarte Zellen können dabei im anschließenden Kollaps beschädigt werden. Die Blasendynamik während des ersten Oszillationszyklus lässt sich näherungsweise mit einem sphärischen Blasenmodell beschreiben.Das Zerstörungspotential von druckangeregten Blasen könnte auch zur Schädigung bei bestimmten Schussverletzungen beitragen. In diesem Zusammenhang wird die Wirkung von Hochgeschwindigkeitsprojektilen auf Gewebeersatzstoffe untersucht. Beim Einschlag des Projektils entsteht eine Stoßwelle, die sich im Medium ausbreitet. Durch Reflexion an freien Grenzflächen wandelt sich die Stoßwelle in eine Zugwelle um, welche eine Kavitationswolke in ihrem Nachlauf erzeugt. Die Kavitation ist vermutlich für Sekundärschädigungen abseits der primären Wundhöhle verantwortlich.Im letzten Experiment werden die Auswirkungen von Lithotripter-Stoßwellen auf adhärente Krebszellen in Kultur untersucht. Es zeigt sich, dass Zellmembranen durch die Wirkung von Kavitationsblasen permeabilisiert werden. Kavitation entsteht hierbei durch die Zugwelle im Nachlauf der fokussierten Stoßwelle des Lithotripters. Der anschließende Blasenkollaps erzeugt ein starkes Strömungsfeld, welches die Ablösung der Zellen vom Substrat und eine temporäre Permeabilisierung der Zellmembranen bzw. die Aufnahme extrazellulärer Moleküle ermöglicht. de
dc.format.mimetype application/pdf de
dc.language.iso eng de
dc.rights.uri http://webdoc.sub.gwdg.de/diss/copyrdiss.htm de
dc.title Cavitation and shock wave effects on biological systems de
dc.type doctoralThesis de
dc.title.translated Kavitation und Stoßwelleneffekte in biologischen Systemen de
dc.contributor.referee Lauterborn, Werner Prof. Dr. de
dc.date.examination 2004-02-10 de
dc.description.abstracteng This thesis investigates the effects of cavitation and shock waves on systems of biological or medical relevance. Its main focus lies on high-speed optical observations of cavitation bubble activity after pressure wave excitation and the resulting effects on cells, which comprise cell damage, transient membrane permeabilization, and the detachment of cells adhering to a substrate.In the experimental part of this work different methods have been used to create and excite bubbles. In a first approach preexisting bubbles in the vicinity of rigid boundaries are excited by a laser induced shock wave. The effects of neighboring bubbles and rigid boundaries on bubble dynamics are observed with microscopic high-speed recordings. The bubble dynamics is calculated numerically using the Keller-Miksis model and results are compared with the experimental radius time curves. Also the dynamics of bubbles in the vicinity of cultured fibroblast cells are investigated. These Bubbles are formed from contrast agents for medical ultrasound imaging after spark-induced pressure wave application. Microscopic high-speed images show rapid bubble expansion and collapse. Even at moderate peak negative pressure amplitudes of less than 1 MPa the contrast agent bubbles are observed to expand to more than 30 times their original radius and to rupture cells upon collapse. The bubble dynamics of excited contrast agent bubbles show reasonable agreement with a spherical bubble model during the first oscillation cycle.The destructive behavior of pressure excited bubbles might also be important in ballistic injuries. In this context the effects of high-speed projectiles on tissue substitutes have been investigated. The impact of the bullet generates a shock wave, which travels through the medium. Upon reflection at pressure release boundaries, the shock wave becomes a tensile wave generating cavitation clouds in its wake. The cavitation bubbles might cause secondary damage inside the tissue farther away from the bullet and its fragments.The last experiment deals with the interactions of lithotripter generated shock waves with cancer cells adhering to a substrate. It is shown that shock waves permeabilize adherent cells in vitro through the action of cavitation bubbles. The bubbles are formed in the trailing tensile pulse of a lithotripter generated shock wave. Upon collapse of cavitation bubbles a strong flow field is generated, which accounts for two effects: The detachment of cells from the substrate and the temporary opening of cell membranes followed by molecular uptake. de
dc.contributor.coReferee Ronneberger, Dirk Prof. Dr. de
dc.subject.topic Mathematics and Computer Science de
dc.subject.ger Kavitation de
dc.subject.ger Stoßwellen de
dc.subject.ger Sonoporation de
dc.subject.ger Hochgeschwindigkeits-Mikroskopie de
dc.subject.ger Kontrastmittel de
dc.subject.ger Zellablösung de
dc.subject.ger 530 Physik de
dc.subject.eng cavitation de
dc.subject.eng shock waves de
dc.subject.eng sonoporation de
dc.subject.eng drug delivery de
dc.subject.eng high-speed microscopy de
dc.subject.eng contrast agent de
dc.subject.eng cell detachment de
dc.subject.bk 33.12 de
dc.subject.bk 33.18 de
dc.subject.bk 42.12 de
dc.subject.bk 44.31 de
dc.identifier.urn urn:nbn:de:gbv:7-webdoc-376-3 de
dc.identifier.purl webdoc-376 de
dc.affiliation.institute Fakultät für Physik de
dc.subject.gokfull RHH 150: Schallausbreitung de
dc.subject.gokfull -reflexion de
dc.subject.gokfull in Flüssigkeiten {Physik: Akustik} de
dc.subject.gokfull RPV 280: Mikroskop {Physik: Optik} de
dc.subject.gokfull MED 270: Physik / Biopyhsik / Biomedizinische Technik - Allgemein- und Gesamtdarstellungen de
dc.subject.gokfull WCO 000: Bioakustik {Biophysik} de
dc.identifier.ppn 390579467 de

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