Praktikum an der Monash University in Melbourne

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Cornelius Schmidt
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1 Praktikum an der Monash University in Melbourne Thema: Experimentelle Validierung eines Computermodells zur Simulation des Blutflusses in der Niere Sabine Donner, Wintersemester 2006

2 Hauptabschnitte meiner bisherigen Tätigkeit Phase 1: Mitarbeit an einem Bioreaktor-Projekt Phase 2: Einarbeitung in eigene Aufgabe und Zusammenstellung des experimentellen Aufbaus Phase 3: Erste Versuchsreihen

Einarbeitung in eigene Aufgabe und Zusammenstellung

3 Phase 1: Mitarbeit an einem Bioreaktor-Projekt Hier sollte ich eigentlich eingesetzt werden: In einem Biotechnologielabor, in dem gerade ein neuer Bioreaktor zum Züchten von Zellen und Gewebe entwickelt wird. Es stellte sich jedoch schnell heraus, dass dieses Gebiet zu weit vom Inhalt unseres Sudiums abweicht, um eine eigene selbstständige Aufgabe zu übernehmen. Deshalb habe ich nach zwei Wochen den Arbeitsplatz gewechselt und bin jetzt Teil der Forschungsgruppe MUBETA, einer interdisziplinären Gruppe, in der die Fakultäten Mechanical Engeneering und Physiology zusammenarbeiten. Im Labor: Für erste Versuche im Reaktor werden Krebszellen gezüchtet. (weitere Infos unter:

Es stellte sich jedoch schnell heraus, dass dieses Gebiet zu weit vom Inhalt unseres Sudiums abweicht, um eine eigene selbstständige Aufgabe zu übernehmen.

4 Phase 2: Einarbeitung in eigene Aufgabe und Meine eigene Aufgabe besteht darin, an drei verschiedenen Modellen den Blutfluss in der Niere nachzustellen, so dass die Ergebnisse mit einem numerischen Modell verglichen werden können, um dieses zu bestätigen. afferent efferent peritubular capillaries Die Modelle bilden eine Verzweigung der afferenten Blutbahnen zu den Glomeruli der Niere nach - der in diesem Schema rot dargestellte Bereich. juxtamedullary glomerulus vasa recta arcuate artery Quelle: Mechanisms underlying the differential control of blood flow in the renal medulla and cortex, by Roger G. Evans et al. (2004) Motivation: An der Monash University wird derzeit intensiv daran gearbeitet, den Zusammenhang einer Nierenfehlfunktion und Bluthochdruck näher zu erforschen.

afferent efferent peritubular capillaries Die Modelle bilden eine Verzweigung der afferenten Blutbahnen zu den Glomeruli der Niere nach - der in diesem Schema rot dargestellte Bereich.

5 Phase 2: Einarbeitung in eigene Aufgabe und Der Verlauf der Röhrchen in dieser T-Form bleibt bei allen drei Varianten gleich. Aber die Form der Querschnittsfläche der Röhrchen verändert sich, denn während ein rechteckiger Querschnitt leichter zu brechnen ist, ist ein runder dem physiologischen Gegebenheiten ähnlicher.

Aber die Form der Querschnittsfläche der Röhrchen verändert sich, denn während

6 Phase 2: Einarbeitung in eigene Aufgabe und Die Idee ist, das Modell in ein Wasserbad zu stellen, damit an den beiden Enden der Röhren der gleiche hydrostatische Druck anliegt. Um einen langsamen Fluss zu gewährleisten, verwende ich Glycerin statt Wasser. (Glycerin hat eine höhere Dichte und Viskosität) Um einen gleichmäßigen definierten Fluss zu erhalten, der nicht zu sehr von der Pumpe, die das Glycerin zirkuliert, beeinflusst wird, wird der Fluss nur durch Gravitation angetrieben. Das heißt, ich variiere die Fließgeschwindigkeit durch die Höhe des Flüssigkeitsspiegels in dem Zylinder, durch den das Glycerin in das Modell fließt.

(Glycerin hat eine höhere Dichte und Viskosität) Um einen gleichmäßigen definierten Fluss zu erhalten, der nicht zu sehr von der Pumpe, die das Glycerin

7 Phase 2: Einarbeitung in eigene Aufgabe und PIV particle image velocimetry Quelle: ( ) Zur Messung der Geschwindigkeitsfelder im Modell nutze ich das Messprinzip PIV. Dabei wird der Flüssigkeitsstrom mit Partikeln angereichert. Nun richtet man einen Laser auf das Model, dessen Licht die Nanopartikel reflektieren. Mit einer Kamera werden in bestimmten Zeitintervallen Bilder aufgenommen. Ein Computerprogramm kann anhand der Bewegung der Partikel in dem Zeitintervall die Geschwindigkeit der Flüssigkeit errechnen.

Dabei wird der Flüssigkeitsstrom mit Partikeln angereichert.

8 Phase 2: Einarbeitung in eigene Aufgabe und So sieht der ganze Aufbau im Labor aus: Es ist deutlich zu sehen, dass ich keinen Laser, sondern eine normale Lichtquelle verwende. Dadurch ist es nicht möglich, nur eine dünne Schicht der Röhrchen zu beleuchten, sondern das ganze Volumen wird erhellt. Dadurch ergeben sich folgende Probleme: Es ist schwierig, die Partikel gut zu fokussieren, da man immer nur eine Tiefe fokussieren kann und alle anderen Partikel dann das Bild als Hintergrundrauschen stören. Die Zeitintervalle zwischen den Bildern werden von der Kamera bestimmt und sind zu lang. Folglich bewegen sich die Partikel aus dem Beobachtungsfenster heraus und sind zur Geschwindigkeitsberechnung nicht mehr nutzbar. Deshalb könnte es sein, dass ich den Aufbau nochmals verändern muss. Leider ist jedoch eine Laseranwendung in dem Labor, das ich zur Zeit nutze nicht möglich, da die Sicherheitsbestimmungen nicht erfüllt werden.

Dadurch ergeben sich folgende Probleme: Es ist schwierig, die Partikel gut zu fokussieren, da man immer nur eine Tiefe fokussieren kann und alle anderen Partikel dann das Bild als Hintergrundrauschen

9 Phase 2: Einarbeitung in eigene Aufgabe und In den ersten Experimenten hat sich gezeigt, dass Glycerin seine Eigenschaften sehr stark mit der Temperatur ändert. Deshalb musste ich einige Anstrengungen betreiben, um eine konstante Temperatur des Glycerin während des Versuches zu gewährleisten: Das Glycerin befindet sich in einem Wasserbad. 5 February dessen Wasser von dieser sogenannten Kältemaschine auf konstanter Temperatur gehalten wird. Praktikum an der Monash University, Melbourne

Deshalb musste ich einige Anstrengungen betreiben, um eine konstante Temperatur des Glycerin während des Versuches zu

10 Phase 3: Erste Versuchsreihen Erste Ergebnisse Durch lange Belichtungszeiten ist es möglich, den Fluss gut darzustellen. Für PIV werden sehr kurze Belichtungszeiten gewählt. Mehrere solcher Bilder werden hintereinander aufgenommen, aufeinandergelegt und von der Software in sogenannte Vektorkarten umgewandelt:

Für PIV werden sehr kurze Belichtungszeiten gewählt.

11 Allgemeiner Kommentar Abschließend möchte ich zum Ausdruck bringen, dass ich mich hier in Australien echt wohl fühle, weil die Leute freundlich und hilfsbereit sind und ich mein Projekt wirklich mag! Auch mit der englischen Sprache kommt man schnell zurecht. Ich hatte großes Glück, hier in einem Labor zu landen, dass gerade erst eingerichtet wird. Täglich kommen neue Geräte an, die auf dem neusten Stand der Technik sind. Es ist alles sehr interessant. Außerdem habe ich meinen gesamten experimentellen Aufbau selber gestalten können. Auch wenn dies sehr zeitaufwendig war und ich mich manchmal ein wenig überfordert gefühlt habe, war es doch eine interessante Erfahrung. Wer also die Chance hat, sein Praxissemester im Ausland zu verbringen, sollte keine Scheu haben sie zu nutzen es lohnt sich!

Täglich kommen neue Geräte an, die auf dem neusten Stand der Technik sind. Es ist alles sehr interessant. Außerdem habe ich meinen gesamten experimentellen Aufbau selber gestalten können.

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