Eine bevorzugte Zellquelle für den Einsatz im Tissue Engineering sind mesenchymale Stammzellen (MSZ). Diese besitzen, neben einer hohen Proliferationsrate, die Fähigkeit, sich in verschiedene Zellen des mesodermen Ursprungs und in die entsprechenden Gewebetypen zu entwickeln. Um ein funktionales Gewebe zu erhalten ist es Ziel, sich bereits in vitro den in vivo Bedingungen anzunähern. Hierbei spielen neben der dreidimensionalen Struktur der Scaffolds auch die biochemische Mikroumgebung der Zellen in Form der unlöslichen extrazellulären Matrix (EZM) und den löslichen Mediatorproteinen wie Wachstums- und Differenzierungsfaktoren, sowie die physikalische Stimulation der Zellen eine wichtige Rolle. Während sich gegenwärtige Untersuchungen im TE vorwiegend mit den alleinigen Einflussfaktoren beschäftigen, verfolgt die vorliegende Arbeit das Ziel, die Auswirkungen kombinierter Stimuli durch Verwendung einer artifiziellen EZM, bestehend aus definierten Komponenten der nativen EZM, und physikalischer Stimuli durch elektrische Felder zu untersuchen. Letzteres erfolgte mit einem innerhalb der Arbeitsgruppe neu entwickelten System, dass die Stimulation von Zellen mit ausschließlich elektrischen Feldern, ohne störende Nebeneinflüsse, erlaubt.:1 Einleitung und Zielstellung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Der Knochen 2.1.1 Allgemeine Biologie und Physiologie des Knochengewebes 2.1.2 Knochenersatzmaterialien 2.2 Tissue Engineering von Knochengewebe 2.2.1 Trägermaterialien für das TE von Knochen 2.2.2 Zellen für das TE von Knochen 2.2.3 Artifizielle extrazelluläre Matrizes für das TE von Knochen 2.3 Einfluss elektrischer Felder auf Knochenumbauprozesse 2.3.1 Methoden zur Applikation von elektrischen Feldern 2.3.2 In vitro Untersuchungen zum Einfluss elektrischer Felder 2.3.3 Methode der Transformator-ähnlichen Einkopplung (TC) 3 Materialien 3.1 Technische Hilfsmittel und Geräte 3.2 Verbrauchsmaterialien 3.3 Chemikalien, Reagenzien und Kits 3.4 Antikörper 3.5 Oligonukleotide 3.6 Puffer-, Medien- und Lösungszusammensetzungen 3.7 Zellen 4 Methoden 4.1 Polycaprolacton-Co-Lactid (PCL)-Scaffolds 4.1.1 Präparation und Hydrophilisierung der PCL-Scaffolds 4.1.2 Beschichtung der PCL-Scaffolds 4.1.3 Charakterisierung der Beschichtung auf den PCL-Scaffolds 4.2 Zellkulturtechniken 4.2.1 Auftauen und Subkultivierung 4.2.2 Einfrieren 4.2.3 Induktion der osteogenen Differenzierung 4.2.4 Induktion der adipogenen Differenzierung 4.2.5 Induktion der chondrogenen Differenzierung 4.2.6 Besiedlung und Kultivierung der Zell-Matrix-Konstrukte 4.2.7 Elektrische Stimulation der Zell-Matrix-Konstrukte 4.2.8 Blockierung definierter Signaltransduktionswege 4.3 Mikroskopische Analytik der Zellen 4.3.1 Darstellung der Zellverteilung mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) 4.3.2 Qualitative Bestimmung von Fetttröpfchen mittels Oil-Red-O Färbung 4.3.3 Qualitative Bestimmung der Mineralisierung mittels vonKossa- Färbung 4.4 Durchflusszytometrie 4.5 Biochemische Analytik der Zellen 4.5.1 Bestimmung der Zellzahl mittels Lactatdehydrogenase (LDH)- Aktivität 4.5.2 Bestimmung der alkalische Phosphatase (ALP)-Aktivität 4.5.3 Quantitative Bestimmung des Kalziumgehaltes 4.6 Molekularbiologische Analytik / Genexpressionsanalyse 4.6.1 RNA Extraktion 4.6.2 cDNA-Synthese / Reverse Transkriptase PCR (RT-PCR) 4.6.3 Amplifikation von cDNA mittels quantitativer Real-Time PCR (qPCR) 4.7 Statistische Auswertung 5 Weiterentwicklung der Kammer zur TC-Einkopplung 5.1 Grundlegende theoretische Betrachtungen zur TC-Einkopplung 5.1.1 Ersatzschaltbild der TC-Einkopplung 5.1.2 Abschätzung des Eisenkernquerschnitts 5.1.3 Einfluss der Primärwindungszahl 5.2 Neudimensionierung und Aufbau der Stimulationseinrichtung 5.3 Verlauf der elektrischen Größen 5.3.1 Simulation 5.3.2 Messung 5.3.3 Abschätzung des magnetischen Feldes in der Kammer 5.4 Zusammenfassung 6 Zellexperimentelle Ergebnisse 6.1 Charakterisierung der humanen MSZ nach in vitro Kultivierung 6.1.1 Morphologie 6.1.2 Phänotypische Charakterisierung mittels Durchflusszytometrie 6.1.3 Multipotentes Differenzierungspotential 6.2 Zellverhalten auf den unbeschichteten PCL-Scaffolds 6.2.1 Ermittlung eines geeigneten Besiedlungsregimes 6.2.2 Zellverteilung und Proliferation der MSZ 6.2.3 Osteogene Differenzierung der MSZ 6.3 Einfluss der aEZM auf das Zellverhalten von MSZ 6.3.1 Quantitative Bestimmung der aEZM-Komponenten 6.3.2 Einfluss der aEZM auf die Adhärenz und Proliferation von MSZ 6.3.3 Einfluss der aEZM auf die osteogene Differenzierung von MSZ 6.4 Einfluss elektrischer Felder auf das Zellverhalten von MSZ 6.4.1 Einfluss der elektrischen Felder auf die Proliferation und osteogene Differenzierung von MSZ 6.4.2 Einfluss elektrischer Felder in Kombination mit Koll/sHya enthaltenden aEZM auf die Proliferation und osteogene Differenzierung von MSZ 6.4.3 Untersuchungen zu möglichen Signaltransduktionswegen 7 Diskussion der Ergebnisse 7.1 Charakterisierung der humanen MSZ nach in vitro Kultivierung 7.2 Zellverhalten auf den unbeschichteten PCL-Scaffolds 7.3 Einfluss der aEZM auf das Zellverhalten von MSZ 7.4 Einfluss elektrischer Felder auf das Zellverhalten von MSZ 8 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Danksagung Eigene Publikationen und Mitautorschaften A Zusatzinformationen für die quantitative RT-PCR A.1 Versuchsdesign der Genexpressionsanalysen A.2 Qualitätskontrolle der isolierten RNA

The quest to achieve high resolution in ion mobility spectrometry (IMS) has continued to challenge scientist and engineers in the field of separation science. The low resolution presently attainable in IMS has continued to negatively impact its utility and acceptance. Until now, efforts to improve the resolution have mainly focused on better instrumentation and detection methods. However, since the resolution of IMS is diffusion limited, it makes sense to address this limitation in order to attain high resolution. This dissertation presents a new IMS technique, which utilizes a high electric field and opposing high gas flow velocity with the aim to improve resolution. This approach essentially reduces the residence time of ions in the analyzer. This new technique is called "counter-flow ion mobility analysis" (CIMA). Theoretical modeling of this new technique predicted that a resolution of over 1000 is possible, which is over one order of magnitude better than that of conventional IMS techniques currently used. A wind tunnel was designed and constructed to produce a plug gas flow profile that is needed for CIMA. The test region of the wind tunnel was used as the CIMA analyzer region and was constructed from power circuit boards, PCBs, (top and bottom walls) and conductive plastic side walls. An inclined electric field was created by applying suitable voltages to multiple electrode traces on the PCBs. This inclined field, when resolved into its x- and y-components, was used to oppose the counter-gas flow and transport the ions to the detector, respectively. The results obtained did not show an improvement over conventional IMS techniques because of a limitation in the voltage that could be applied to the analyzer region. However, the results predict that high resolution is possible if (1) the ratio of the electric fields in the horizontal (x direction) to the vertical (y direction) is within the range of 2--0.5, (2) very high electric field and high gas flow velocities are applied, and (3) wall effects in the counter-flow gas profile are eliminated. While the resolution obtained using the present instrumentation is far from what was predicted, the foundation for ultimately achieving high resolution has been laid. The use of a wind tunnel has made the instrumentation possible. As far as the author knows, this is the first time a wind tunnel has been used in chemical measurement instrumentation. Chapter 5 of this dissertation, reports a method developed for predicting the reduced mobility constants, of chemical compounds. This method uses a purely statistical regression analysis for a wide range of compounds which is different from similar methods that use a neural network. The calculated value for this method was 87.4% when calculated values were plotted against experimental K0 values, which was close to the value for the neural network method (i.e., 88.7%).

With power generation and consumption placed further away from each other, with for example increased offshore power production, the need for HVDC transmission systems increases. As voltage levels in the HVDC transmission system are raised, the losses can be decreased, enabling efficient power transfer over longer distances. Such an increase in voltage levels comes with questions regarding insulation performance due to increased electrical field stress in high voltage apparatus, particularly in and around cable terminations. Thus, physical measurements of electrical fields or voltage potentials in air are of interest to improve the understanding of the electrical fields around cable terminations as well as to verify and develop simulation models for use at ultra high voltage. In this thesis, different measurement systems and sensors for electrical field measurements are investigated, and their benefits and drawbacks are compared to a known previously implemented reference measurement system with known strengths and limitations. Two new conceptual measurement systems with a sensor concept and positioning system are developed and proposed for a set of given conditions, such as measurement around cable terminations in air. The first proposed system is based on a shutter field mill sensor placed on variable electric potential. The second system is based on the reference system's sensor design modified to remove the need for a large positioning system. The feasibility of the two measurement systems is investigated further utilizing a COMSOL model and a mechanical prototype. The simulation model is used for electrical field simulations around cable terminations in a 2D-axisymmetric geometry as well as a 3D geometry to verify the first measurement system. The mechanical prototype is utilized to test and verify the possibility of implementing the second system's positioning system. The two final proposed measurement systems can be further developed and used as a foundation for a future implemented measurement system. / Ökad elproduktion i form av exempelvis vindkraftsverk placerade till havs leder till elproduktion och konsumtion placerad med större avstånd från varandra, vilket skapar ett behov av HVDC transmissionssystemm. Genom att höja spänningsnivåerna i transmissionssystemet kan förluster minskar, vilket möjligör effektiv kraftöverföring över längre avstånd. En sådan ökning av spänningsnivåerna i transmissionssystemet kommer med obesvarade frågor angående isoleringsprestanda i högspänningsutrustningen på grund av en höjd elektrisk stress, med särskilt intresse gällande påverkan på kabelavslut. Därför är fysiska mätningar av elektriska fält eller potentialer i luft av intresse för att förbättra förståelsen av det elektriska fältet kring kabelavslut, samt att verifiera och utveckla simuleringsmodeller för användning vid ultrahög spänningspotentialer. I detta examensarbete har olika mätsystem och sensorer för elektriska fältmätningar utredits och deras fördelar och nackdelar jämförts med ett känt tidigare implementerat rereferensmätsystem med kända styrkor och begränsningar. Två nya konceptuella mätsystem med sensorkoncept med tillhörande positioneringssystem utvecklas och föreslås för en uppsättning givna förhållanden, som t.ex mätning kring kabelavslutningar i luft. Det första föreslagna systemet är baserat på en fältkvarnssensor placerad på variabel elektrisk potential. De andra systemet är baserat på referenssystemets sensordesign modifierad för att ta bort behovet av ett stort positioneringssystem. Genomförbarheten av de två mätsystem undersöks vidare med användning av en COMSOL-modell och en mekanisk prototyp. Simuleringsmodellen används för elektriska fält simuleringar kring ett kabelavslut i en 2D-axelsymmetrisk geometri samt i en 3D-geometri för att verifiera det första mätsystemet. Mekaniska prototypen används för att testa och verifiera möjligheten att implementera andra systemets positioneringssystem. De två föreslagna mätsystemen kan vidareutvecklas och användas som en grund för ett framtida implementerat mätsystem.