Diese Arbeit beinhaltet Ergebnisse der ersten klinischen Studie zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Zellen in einem Tumor mit der dafür notwendigen Probengröße. Dies ermöglichte die Erstellung eines umfassenden Bildes von Subpopulationen innerhalb eines Tumors mit großem diagnostischem Potential. Die Änderung der Einzelzellmechanik von Tumorzellen wird durch Veränderung des Zytoskeletts, einem komplexes Polymernetzwerk in Zellen, hervorgerufen. Mit Hilfe von Zellgiften wurde das Zytoskelett gezielt manipuliert, um den Einfluss einzelner Faktoren auf die Biomechanik zu bestimmen. Aus Gewebeproben von Brustkrebspatienten wurden Zellen mit Hilfe enzymatischer Aufspaltung des extrazellulären Kollagennetzwerkes isoliert. Als Kontrollsystem wurden Primärzellen aus Brustreduktionsgewebe und aus Fibroadenomen, gutartigen Gewebeneubildungen der Brustdrüse, verwendet. Unter Einsatz des Optischen Stretchers, einer Zweistrahl-Laserfalle, wurden suspendierte Zellen für zwei Sekunden einer konstanten Zugspannung ausgesetzt und das Deformations- wie auch das anschließende Relaxationsverhalten beobachtet. Dabei ergaben sich wesentliche Unterschiede zwischen Tumor- und Kontrollproben. Neben Zellen mit ähnlichen Steifigkeiten, enthielten Tumorproben Subpopulationen sehr weicher Zellen, wie sie in Normalgewebe nicht zu finden sind. Desweiteren war das Relaxationsverhalten der Tumorzellen stärker elastisch dominiert. Einzelne Zellen kontrahierten sogar aktiv gegen die Zugspannung. Versuche, das Zytoskelett mittels Zellgiften künstlich in einem Zustand zu bringen, der in Krebszellen beobachtet wurde, ergaben zwar ebenfalls die Zunahme weicherer Zellen, jedoch war das Relaxationsverhalten eher viskos dominiert. Fluoreszenzaufnahmen des Aktin-Zytoskeletts sowie der fokalen Adhäsionen, die das Aktin-Netzwerk der Zelle mit dem Substrat verankern, zeigten Veränderungen bei Krebszellen im Vergleich zu Kontrollen. Darüber hinaus wurden Einflussfaktoren auf die Zellmechanik untersucht. Neben Kulturbedingungen, beeinflussen auch Alter und Medikation das biomechanische Verhalten. Die Steifigkeit der Krebszellen scheint vom Ursprungsgewebe beeinflusst zu werden, sodass Zellen verschiedener Krebsarten Steifigkeiten in unterschiedlichen Regimes zeigen. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern wichtige Informationen für unser Verständnis der Karzinogenese und bilden die Grundlage für eine neue diagnostische Methode zur Bestimmung der Tumoraggressivität. Eine gezielte Untersuchung der gefundenen Subpopulationen in einem Tumor könnte dabei helfen, neue Therapieansätze zu entwickeln und damit die hohen Rezidivraten aggressiver Tumore zu vermindern.:Bibliographische Beschreibung 3 1 Introduction 10 2 Background 13 2.1 Cancer development and diagnosis 13 2.2 Biomechanics of cells 16 2.2.1 Cytoskeletal changes in cancer cells 17 2.2.2 Micro-mechanical measurement techniques 21 2.2.3 Interaction of laser light with cells: physical principles of the Optical Stretcher 25 2.2.4 Physical models of cell rheology 29 2.3 Cancer cell motility 35 2.4 Tumor boundaries 38 3 Materials and Methods 40 3.1 Sample preparation 40 3.1.1 Cell lines 40 3.1.2 Primary cells from breast reduction 41 3.1.3 Solid tissue samples 41 3.1.4 Drug treatment 48 3.1.5 Fluorescent staining 49 3.2 The Optical Stretcher 50 3.2.1 Experimental Setup 50 3.2.2 Data analysis 52 3.2.3 Reproducibility of Optical Stretcher measurements 52 3.2.4 Laser induced heating in optical traps 54 3.3 Rheometer measurements of collagen gels 57 4 Experimental Results 58 4.1 Parameter space of Optical Stretcher measurements 58 4.2 How well defined are primary tissues? 60 4.2.1 Cells adapt mechanical properties to culture conditions 60 4.2.2 Individual and cell type differences 64 4.3 Characterization of human primary breast cancer cells 68 4.3.1 Malignant tissues comprise an increased number of softer cells 69 4.3.2 Tumor cells show a strong relaxation behavior 73 4.3.3 Single cells contract against applied stress 75 4.4 Changing the biomechanical phenotype - induced alterations of the F-actin network 76 5 Discussion 80 5.1 Measurement bias and impact factors 80 5.2 Softening as an effect of cytoskeletal reorganization in cancer cells 84 5.3 Mechanism of cytoskeletal reorganization 86 5.4 Cells on their way of breaking the boundary 89 6 Conclusion and Outlook 92 Appendix 94 A Cell culture protocols 94 A.1 Used materials and devices for cell culture 94 A.2 Thawing of cells 95 A.3 Medium exchange 96 A.4 Passaging and preparation for measurement 96 A.5 Collagen gel preparation 97 A.6 Culturing specifics for each cell line used 98 A.7 Tissue dissociation protocol for human mamma carcinoma 98 A.8 Fluorescent staining 99 B Additional graphs 101 Bibliography 103 Acknowledgements 114 Curriculum Vitae 115 Selbständigkeitserklärung 116

Bionischer Leichtbau realisiert mit Applikationen an gängige FEM-Programme nach dem Vorbild der Natur

Auch im Spitzensport kann Wissensvorsprung ein maßgeblicher Wettbewerbsvorteil sein, vorausgesetzt, der hierzu erforderliche wechselseitige Wissenstransfer zwischen Wissenschaft und Praxis wird umfassend beherrscht. Unter Beachten der in den letzten 3 Olympiazyklen im Spitzenbereich der Sportarten Biathlon und Nordische Kombination zu beobachtenden Tendenz hinsichtlich einerseits der Erhöhung streckenbezogener mittlerer Laufgeschwindigkeiten und andererseits der Zunahme internationaler Sportverbände, deren Sportler zu Wettkämpfen Spitzenplatzierungen erreichen, steigt das Interesse an einer innovativen sportwissenschaftlichen Vorlaufforschung zum Skaten im Skilanglauf. Aus der Sicht der Doktorandin stellt das Eruieren neuen Wissens sowohl zu den definierten Skatingtechniken als auch zur Methodik des einheitlichen Sporttechnik- und Konditionstrainings eine aktuell vordringlich zu lösende Aufgabe dar. Die vorliegende sportbiomechanische Studie widmet sich in ihrer Gesamtheit diesem Anliegen. Fokussiert wurden das wissenschaftliche Durchdringen des Problemfeldes Skatingtechniken und das Suchen von Sporttechnikleitbildern für das Messplatztraining. Im Verlauf ihres Entstehens über mehrere Jahre hinweg war das wissenschaftliche Arbeiten jedoch stets auch auf das Erzielen von Erkenntnissen zum komplexen Sporttechnik- und Konditions-Messplatztraining gerichtet. Von daher fanden hierzu ausgewählte Aspekte Berücksichtigung. Der beschrittene biomechanische Forschungsprozess orientierte sich insbesondere an den Erkenntnisständen zu den Besonderheiten sportlicher Technik zyklischer Bewegungen sowie zu den Themenfelder Messplatztraining und biomechanische Leistungsleitbilder zyklischer Bewegungen. Im Ergebnis sowohl deduktiv-nomologischen Vorgehens als auch biomechanischen Modellierens wurden Bewegungsparametermodelle erstellt. Diese bildeten die Referenz für statistische Ähnlichkeitsprüfungen mit analytisch identifizierten Bewegungsparametermodellen. Das messtechnische Datenobjektivieren biokinematischer und biodynamischer Bewegungsparameter erfolgte hier vorrangig unter sportartspezifischen Trainings- und Wettkampfbedingungen. Nationale und internationale Spitzensportler bzw. Spitzensportlerinnen der zurückliegenden zwei Olympiazyklen bildeten die definierte Grundgesamtheit. Darüber hinausgehende Arbeitsschwerpunkte waren auf informationstechnische Entwicklungen gerichtet.

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Fragestellung der Arbeit: Aus der Literaturbetrachtung wird deutlich, dass unterschiedlichste Testverfahren zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von Laufschuhen eingesetzt. Bisher gibt es kein standardisiertes und allgemein anerkanntes mechanisches Testverfahren. Im Gegensatz zu biomechanischen Untersuchungen verwendet bei mechanischen Messungen nahezu jeder Autor ein anderes Prüfverfahren. Wichtige Entscheidungsprozesse, welche zur Entwicklung des jeweiligen Prüfverfahrens führen, werden gar nicht oder nur unzureichend erläutert. Daher ist es nicht möglich eine generelle Vorgehensweise zur Erstellung eines neuen Prüfverfahrens abzuleiten. Aus den diskutierten Studien kann man schlussfolgern, dass bisherige mechanische Testverfahren die biomechanischen Zusammenhänge nur ungenügend abbilden können. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein allgemeingültiges mechanisches Prüfverfahren zu entwickeln, welches es ermöglicht, die Materialeigenschaften eines Laufschuhs im Rückfußbereich zu untersuchen. Ein wesentlicher Punkt dieser Arbeit ist es dabei, die mechanischen Eingabeparameter auf eine möglichst breite Basis von biomechanischen Messdaten aufzubauen. Dazu werden verschiedene biomechanische Messungen durchgeführt und mit den Ergebnissen früherer Studien verglichen. Durch diese Vorgehensweise soll dem Anspruch der Allgemeingültigkeit Rechnung getragen werden. Ein wesentliches Anliegen dieser Arbeit ist darüber hinaus die Dokumentation und Diskussion aller wichtigen Entscheidungsschritte, die zu diesem Prüfverfahren führen. Um die gesetzten Ziele zu erreichen, werden folgende Fragestellungen beantwortet: F1 - Welche Stempelgeometrie muss für das zu entwickelnde Testverfahren verwendet werden um der anatomischen Belastungsfläche zu entsprechen? F2 - Wie muss der Stempel ausgerichtet werden um die Kraft in das Material einleiten zu können? F3 - Wie hoch sind die verwendeten Kräfte zur Belastung des Rückfußbereiches beim Laufen? F4 - Ermöglicht das mechanische Prüfverfahren eine zuverlässige Bestimmung der mechanischen Laufschuheigenschaften? F5 - Ermöglicht das mechanische Prüfverfahren eine Bestimmung funktionaler Laufschuheigenschaften?

Die Fortbewegung des Menschen – ob gehend oder laufend – war und ist bis zum heutigen Tag im Fokus des wissenschaftlichen Interesses. Dabei gehört die Durchführung von etwaigen Studien im Labor zu einer anerkannten methodischen Verfahrensweise. Durch die stete technologische Weiterentwicklung von Messsystemen, bestehen nunmehr veränderte Möglichkeiten, wodurch das Laufen des Menschen in seinem natürlichen Bewegungsraum quantifiziert werden kann. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss des Experimentalraums auf das Laufen zu untersuchen. Zusätzlich wurde dabei die Rolle von drei Laufschuhen unterschiedlicher Kategorien genauer betrachtet. Für die Erhebung der zum Vergleich notwendigen Messgrößen diente zum einen ein Inertialsensor-System, um die Kinematik der Läufer zu erfassen und zum anderen EMG-System, um Rückschlüsse auf deren muskulären Status ziehen zu können. In den Ergebnissen zeigte sich, dass nicht nur der Laufschuh sondern auch der Experimentalraum mit seinen jeweiligen Gegebenheiten Einfluss auf den Laufstil der Probanden nahmen. Generell kann aus den Ergebnissen abgeleitet werden, dass auf Grund der besseren Laufrhythmik im Feld, die Läufer einen messbar effizienteren Laufstil aufwiesen.

Auch im Spitzensport kann Wissensvorsprung ein maßgeblicher Wettbewerbsvorteil sein, vorausgesetzt, der hierzu erforderliche wechselseitige Wissenstransfer zwischen Wissenschaft und Praxis wird umfassend beherrscht. Unter Beachten der in den letzten 3 Olympiazyklen im Spitzenbereich der Sportarten Biathlon und Nordische Kombination zu beobachtenden Tendenz hinsichtlich einerseits der Erhöhung streckenbezogener mittlerer Laufgeschwindigkeiten und andererseits der Zunahme internationaler Sportverbände, deren Sportler zu Wettkämpfen Spitzenplatzierungen erreichen, steigt das Interesse an einer innovativen sportwissenschaftlichen Vorlaufforschung zum Skaten im Skilanglauf. Aus der Sicht der Doktorandin stellt das Eruieren neuen Wissens sowohl zu den definierten Skatingtechniken als auch zur Methodik des einheitlichen Sporttechnik- und Konditionstrainings eine aktuell vordringlich zu lösende Aufgabe dar. Die vorliegende sportbiomechanische Studie widmet sich in ihrer Gesamtheit diesem Anliegen. Fokussiert wurden das wissenschaftliche Durchdringen des Problemfeldes Skatingtechniken und das Suchen von Sporttechnikleitbildern für das Messplatztraining. Im Verlauf ihres Entstehens über mehrere Jahre hinweg war das wissenschaftliche Arbeiten jedoch stets auch auf das Erzielen von Erkenntnissen zum komplexen Sporttechnik- und Konditions-Messplatztraining gerichtet. Von daher fanden hierzu ausgewählte Aspekte Berücksichtigung. Der beschrittene biomechanische Forschungsprozess orientierte sich insbesondere an den Erkenntnisständen zu den Besonderheiten sportlicher Technik zyklischer Bewegungen sowie zu den Themenfelder Messplatztraining und biomechanische Leistungsleitbilder zyklischer Bewegungen. Im Ergebnis sowohl deduktiv-nomologischen Vorgehens als auch biomechanischen Modellierens wurden Bewegungsparametermodelle erstellt. Diese bildeten die Referenz für statistische Ähnlichkeitsprüfungen mit analytisch identifizierten Bewegungsparametermodellen. Das messtechnische Datenobjektivieren biokinematischer und biodynamischer Bewegungsparameter erfolgte hier vorrangig unter sportartspezifischen Trainings- und Wettkampfbedingungen. Nationale und internationale Spitzensportler bzw. Spitzensportlerinnen der zurückliegenden zwei Olympiazyklen bildeten die definierte Grundgesamtheit. Darüber hinausgehende Arbeitsschwerpunkte waren auf informationstechnische Entwicklungen gerichtet.:1 Einleitung 1 2 Problemstellung 3 2.1 Zur Sportlichen Technik und zu den Skatingtechniken 4 2.2 Zu sporttechnischen Leitbildern des Skatens 9 2.3 Zur Methodik des Messplatztrainings 11 3 Deduktiv-nomologisches Vorgehen 16 3.1 Biomechanische Bewegungsparameter für die Analyse der Skatingbewegungen 16 3.1.1 Bewegungsparameter der Bein-/Skiabdruckbewegung beim Skaten 16 3.1.1.1 Kräfte 16 3.1.1.2 Dreh- und Kippmomente 17 3.1.2 Pilotstudien zur Bein-/Skiabdruckbewegung 21 3.1.2.1 Fragestellungen 21 3.1.2.2 Methodik 22 3.1.2.3 Pilotstudienergebnisse und Schlussfolgerungen für vorgesehene analytische Untersuchungen 23 3.1.3 Bewegungsparameter der Stockabdruckbewegung beim Skaten 31 3.1.3.1 Einflüsse spezieller Eigenschaften des Sportgerätes Skistock auf die Stockabdruckbewegung 31 3.1.3.1.1 Theorie zur Ermittlung von Skistock-Stabilitätseigenschaften 32 3.1.3.1.2 Experimentelles Ermitteln der Skistock-Stabilitätseigenschaften 37 3.1.3.2 Motorisch-biomechanische Einflüsse auf die Wirkung der Stockabdruckbewegung 40 4 Zielstellung 47 5 Fragestellungen und Hypothesen 49 5.1 Fragestellung 49 5.2 Hypothesen 49 6 Biomechanische Modellierung und Simulationen 54 6.1 Vorbemerkungen 54 6.2 Biomechanisch-mathematische Modellierung und Simulation zur Systembewegung beim Skaten 56 6.2.1 Modellvereinbarungen 56 6.2.2 Modellbildung 56 6.2.2.1 Modellgleichung zur Systembewegung in der Gleitphase 63 6.2.2.2 Modellgleichung zur Systembewegung im Bewegungszyklus und Simulationsmethodik 65 7 Simulationsergebnisse und aufgestellte Bewegungsparameter-Referenzmodelle 68 7.1 Simulationsergebnisse zum Gleitreibungskoeffizienten und Widerstandsbeiwert 68 7.2 Simulationsergebnisse zum Einfluss der Charakteristik des Systemantriebskraftstoßes 71 7.3 Simulationsergebnisse zum Einfluss der zeitlichen Koordination von Abdruckbewegungen 72 7.4 Biomechanische Bewegungsparameter der Skatingtechniken 75 7.4.1 Bewegungsparameter der 1-2 Skatingtechnik mit Führungsarm 76 7.4.1.1 Biodynamisch-kinematische Bewegungsparameter-Zeit-Verläufe 78 7.4.1.2 3D-biokinematische Bewegungsparameter-Zeit-Verläufe 81 7.4.2 Bewegungsparameter der 1-2 Skatingtechnik mit betontem Armschwung 83 7.4.3 Bewegungsparameter der 1-1 Skatingtechnik 88 8 Analytisches Vorgehen 90 8.1 Untersuchungsverfahren für Training begleitende Messplatz-Untersuchungen 90 8.1.1 Messplatzkonfiguration 90 8.1.2 Methodik des Objektivierens von Rohmessdaten 91 8.1.3 Methodik des Aufbereitens von Rohmessdaten 92 8.2 Untersuchungsverfahren für Wettkampf-Untersuchungen 93 8.2.1 Methodik des Objektivierens von Rohmessdaten 94 8.2.2 Methodik des Aufbereitens von Rohmessdaten 95 8.3 In die Untersuchungen einbezogene Sportlerinnen und Sportler 98 8.3.1 Definierte Sportler-Grundgesamtheit dynamisch-kinematischer Messplatz-Untersuchungen 98 8.3.2 Definierte Sportler-Grundgesamtheit 3D-kinematischer Wettkampf-Untersuchungen 98 8.4 Objektivierte Bewegungsparameter 99 8.4.1 Biodynamisch-kinematische Bewegungsparameter 99 8.4.2 3D-biokinematische Bewegungsparameter 100 8.4.3 Pilotstudie zur operationalen Äquivalenz spezieller Bewegungsparameterdaten 103 8.5 Methodik des Verifizierens deduktiv identifizierter Bewegungsparametermodelle 107 8.5.1 Verfahrensweise 1 108 8.5.2 Verfahrensweise 2 109 8.5.3 Zur Prüfung der BWP-Ähnlichkeit 1 109 8.5.4 Zu den Prüfungen der BWP-Ähnlichkeiten 2 111 8.5.5 Zu den Prüfungen der BWP-Ähnlichkeiten 3 bis 5 111 8.6 Methodik des Erstellens von Charakter-Animationen 114 8.6.1 Digitale Modellierung virtueller Charaktere und Sportgeräte 114 8.6.2 Charakter Rig und Mesh-Deformation 116 8.6.3 Motion-Application-Prozess 119 9 Analytisch identifizierte Ergebnisse und deren Vergleiche mit erstellten BWP-Referenzmodellen 120 9.1 Zur 1-2 Skatingtechnik mit Führungsarm 121 9.1.1 Ergebnisse dynamisch-kinematischer Messplatz-Untersuchungen 121 9.1.1.1 Individuell charakteristische biodynamisch-kinematische BWP-Daten und deren Interpretation (Daten-AGS 1) 121 9.1.1.2 Geschlechtsspezifisch charakteristische biodynamisch-kinematische BWP und Leistungskennziffern und deren Proximität (Daten-AGS 2) 122 9.1.1.3 Analytisch identifiziertes biodynamisch-kinematisches BWP-Modell für die 1-2 Skatingtechnik mit Führungsarm (Daten-AGS 3) 126 9.1.1.4 Vergleich zwischen analytisch identifiziertem biodynamisch-kinematischen BWP-Modell und dem BWP-Referenzmodell 127 9.1.1.5 Sporttechnikknotenpunkt bezogene Vergleiche zwischen individuell analysierten biodynamisch-kinematischen BWP und dem BWP- Referenzmodell 129 9.1.1.5.1 Zum Sporttechnikknotenpunkt 1 129 9.1.1.5.2 Zum Sporttechnikknotenpunkt 2 134 9.1.2 Ergebnisse 3D-kinematischer Wettkampf-Untersuchungen 139 9.1.2.1 Geschlechtsspezifisch charakteristische 3D-biokinematische BWP sowie LK und deren Proximität (Daten-AGS 2) 139 9.1.2.2 Analytisch identifiziertes 3D-biokinematisches BWP-Modell für die 1-2 Skatingtechnik mit Führungsarm (Daten-AGS 3) 146 9.1.2.3 Vergleich des analytisch identifizierten 3D-biokinematischen BWP-Modells mit dem BWP-Referenzmodell 148 9.2 Zur 1-2 Skatingtechnik mit betontem Armschwung 150 9.2.1 Ergebnisse biodynamisch-kinematischer Messplatz-Untersuchungen 150 9.2.1.1 Individuell charakteristische BWP-Daten (Daten-AGS 1) und deren Interpretation 150 9.2.1.2 Analytisch identifiziertes biodynamisch-kinematisches BWP-Modell und dessen Vergleich mit dem BWP-Reverenzmodell 151 9.2.2 Sporttechnikknotenpunkt bezogene Vergleiche zwischen individuell analysierten biodynamisch-kinematischen BWP und den BWP-Referenzmodell 155 9.3 Zur 1-1 Skatingtechnik 159 9.3.1 Ergebnisse dynamisch-kinematischer Messplatz-Untersuchungen 159 9.3.1.1 Individuell charakteristische BWP-Daten (Daten-AGS 1) 159 9.3.1.2 Analytisch identifiziertes biodynamisch-kinematisches BWP-Modell und dessen Vergleich mit dem BWP-Reverenzmodell 161 10 Zusammenfassung und Ausblick 165 10.1 Zusammenfassung 165 10.2 Ausblick 188 11 Literatur 190

Im Zentrum dieser kumulativ angefertigten Dissertation stehen vier Untersuchungen, welche den menschlichen Fuß in Abhängigkeit unterschiedlicher Belastungssituationen betrachten und das Verständnis bezüglich seiner funktionellen Anatomie und Biomechanik erweitern sollen. Die einzelnen Studien werden dabei in einer Gesamtschau zusammengetragen. Der erste Beitrag beschäftigt sich mit Trainingsmöglichkeiten der intrinsischen Fußmuskulatur. Der Fokus liegt dabei auf der Ermittlung anatomischer Anpassungserscheinungen und der Untersuchung, wie sich diese auf die Funktionalität des Fußes auswirken. Trotz einer Zunahme des Muskelquerschnitts konnten keinerlei Veränderungen hinsichtlich der Fußfunktionalität festgestellt werden. Daraus wurde die Frage abgeleitet, ob der verwendete Navicular Drop-Test als Vertreter statischer Testverfahren in der Lage ist, das Zusammenspiel der einzelnen Fußstrukturen abzubilden und darüber hinaus Veränderungen zu detektieren. Der zweite Beitrag schließt an diese Frage an und fokussiert sich mit der markerbasierten dreidimensionalen Bewegungsanalyse auf ein Messsystem, welches die Möglichkeit bietet, die Verformung des Fußes zusätzlich auch in dynamischen Belastungssituationen, wie zum Beispiel dem Gehen, zu erfassen. Dabei besitzen die Hautrigidität und die verwendete Markergröße nur einen geringen Einfluss auf die Berechnung gängiger Parameter zur Charakterisierung der Fußverformung. Gemeinsam bilden diese beiden Beiträge die Grundlage für ein anschließendes Experiment, in welchem der Windlass-Mechanismus genutzt wird, um die Fußfunktionalität in statischen und dynamischen Belastungssituationen zu untersuchen und mögliche Unterschiede aufzudecken. Die ermittelten Abweichungen zwischen den beiden Belastungssituationen lassen den Schluss zu, dass statische Experimente nur sehr bedingt dafür geeignet sind die Funktionalität des Fußes in der Dynamik zu beschreiben. Der letzte Beitrag beschäftigt sich mit einer detaillierten Betrachtung der evolutionären Entwicklung der Plantaraponeurose, da diese häufig als einzigartige Anpassungserscheinung des Menschen an die zweibeinige Fortbewegung angesehen wird. Dabei zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Plantaraponeurose kein menschliches Alleinstellungsmerkmal darstellt und sich in mehreren Primatenarten unabhängig voneinander entwickelte. Die Entwicklung dieser Struktur scheint von der Fortbewegungsform und den damit einhergehenden Belastungen abhängig zu sein. Im Anschluss setzt sich die Abschlussdiskussion mit Möglichkeiten und Grenzen biomechanischer Untersuchungen des menschlichen Fußes auseinander und beschäftigt sich mit der Frage, wie eine möglichst gesamtheitliche Betrachtung gelingen kann.

Im Mittelpunkt dieser kumulativ angefertigten Arbeit stehen fünf verschiedenartige biomechanische Untersuchungen faseriger Bindegewebe, welche in einer Gesamtschau zusammengeführt werden. Die einzelnen Beiträge setzen sich zusammen aus Untersuchungen zum Einfluss zellulärer Bestandteile auf die mechanischen Eigenschaften faseriger Bindegewebe und die Beeinflussung dieser Ergebnisse durch Messfehler, speziell am Beispiel des Materialschlupfs. Über diese beiden Beiträge wird eine Verbindung hergestellt zur rechnergestützten Simulation der Wirkung eines Beckenkompressionsgurts auf die Bänder des Beckenrings und dem Transmissionsverhalten faseriger Bindegewebe bei Zugbelastung. Im fünften Beitrag wird am Beispiel des Zusammenwirkens von Achillessehne, Fersenfettpolster und Plantarfaszie in vitro die Komplexität der Betrachtung faseriger Bindegewebe aufgezeigt. Die Zusammenführung der einzelnen Untersuchungen wird begleitet von der Frage, ob die bestehenden biomechanischen Untersuchungsansätze ausreichend sind, um ein umfassendes Verständnis zur funktionellen Bedeutung faseriger Bindegewebe aufbauen zu können.

Für die Fahrzeugsicherheit und die Bewertung von Fahrzeugstrukturen spielt die Entwicklung von Crashtest-Dummys eine zentrale Rolle. Diese menschenähnlichen Puppen werden bei Crashtests eingesetzt, um die Auswirkungen von Kollisionen auf den Körper zu untersuchen. Der Stand des Wissens zeigt, dass aktuelle Crashtest-Dummys nach dem Prinzip der Ermittlung von physikalischen Belastungsgrößen arbeiten. Die komplexe Verletzungsentstehung infolge von Verkehrsunfällen lässt sich damit nicht vollständig darstellen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung, Konstruktion und Erprobung eines neuartigen Dummys mit biofidelen Eigenschaften zur Darstellung komplexer Verletzungen. Es wird ein Konzept entwickelt, mit dem Verletzungen durch Materialschäden direkt am Dummy dargestellt werden können. Die Konstruktion des biofidelen Dummys orientiert sich an der menschlichen Anatomie und Trauma-Biomechanik. Mit der Auswahl unterschiedlicher Werkstoffe wird ein Dummy gefertigt, der viele komplexe Verletzungen direkt darstellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der biofidele Dummy in Schlittenversuchen und Crashtests untersucht. Die erfolgreiche Validierung des biofidelen Dummys zeigt, dass es möglich ist, eine Korrelation zwischen Materialschäden am Dummy und menschlichen Verletzungen herzuleiten.