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Abstract der Posterpräsentation: Xerogele basierend auf Silikat und Kollagen wurden als lasttragendes Knochenersatzmaterial entwickelt. Das Materialkonzept [1] wurde durch den Zusatz verschiedener Calciumphosphate modifiziert. Das Ziel der Arbeit – die Bioaktivität der Komposite und somit das Zellverhalten zu beeinflussen – wird in Verbindung gesetzt zur derzeitigen kritischen Diskussion der Bioaktivität von Biomaterialien [2]. Die Xerogele wurden durch Nutzung eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt, der durch die Änderung des pH-Wertes beim Mischen von Kieselsäure und einer Kollagenlösung initiiert wird. Hydroxylapatit (HAp), a-Tricalciumphosphat (TCP), Brushit und ein selbst entwickelter organisch modifizierter HAp wurden als Pulver sowie Ostim® als pastöse Komponente zur Kollagensuspension hinzugefügt. Die Xerogele wurden in Medien verschiedener Calciumkonzentrationen inkubiert. Die Charakterisierung erfolgte durch biochemische Methoden und Rasterelektronenmikroskopie. Der Einfluss der Xerogelbioaktivität auf die osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen wurde biochemisch und durch konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie analysiert. Die Zugabe von HAp, Ostim® oder TCP führte zu einer beschleunigten Apatitabscheidung auf den Xerogelen aus simulierter Körperflüssigkeit ebenso wie aus Zellkulturmedium (a-MEM). Im Gegensatz dazu verursachen organisch modifizierter HAp oder Brushit eine initiale Calciumfreisetzung aus den Xerogelen. Diese Freisetzung kompensiert das bioaktive Verhalten in gewissem Maße, was durch die Einlagerung in Calcium-freiem a-MEM bestätigt wurde. Die gesteigerte Bioaktivität der Xerogele entspricht einem verringerten Calciumgehalt im Medium, der wiederum einen nachteiligen Effekt auf die Proliferation hat und zur Inhibierung der Matrixmineralisation führt.

Aufgrund einer komplexen Wechselwirkung mit Proteinen ist das Genom in einer Zelle ständig mechanischer Spannung und Torsion ausgesetzt. Daher ist es wichtig die Mechanik und die Dynamik von verdrillter DNA unter Spannung zu verstehen. Diese Situation wurde experimentell mittels einer sog. magnetischen Pinzette nachgestellt, indem sowohl Kraft als auch Drehmoment auf ein einzelnes DNA Molekül ausgeübt und gleichzeitig die mechanische Antwort des Polymers aufgezeichnet wurde. Als erstes Beispiel wurde der Übergang von linearer zu sog. plectonemischer DNA untersucht, d.h. die Absorption eines Teils der induzierten Verdrillung in einer superhelikalen Struktur. Eine abrupte Längenänderung am Anfang dieses Übergangs wurde bereits im Vorfeld publiziert. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass diese abrupte DNA Verkürzung insbesondere von der Länge der DNA und der Ionenkonzentration der Lösung abhängt. Dieses Verhalten kann mittels eines Modells verstanden werden, in dem die Energie pro Verwringung der ersten Schlinge innerhalb der Superhelix größer ist als die aller nachfolgenden. Des Weiteren wurden DNA-DNA Wechselwirkungen in der Umgebung monovalenter Ionen durch die Analyse des Superspiralisierungsverhaltens einzelner DNA Moleküle bei konstanter Kraft charakterisiert. Solche Wechselwirkungen sind für die Kompaktierung des Genoms und die Regulation der Transkription wichtig. Oft wird DNA als gleichmäßig geladener Zylinder modelliert und ihre elektrostatischen Wechselwirkungen im Rahmen der Poisson-Boltzmann-Gleichung mit einem Ladungsanpassungsfaktor berechnet. Trotz erheblicher Anstrengung ist eine präzise Bestimmung dieses Parameters bisher nicht gelungen. Ein theoretisches Modell dieses Prozesses zeigte nun eine erstaunlich kleine effektive DNA Ladung von ~40% der nominalen Ladungsdichte. Abgesehen von Gleichgewichtsprozessen wurde auch die Dynamik eines Faltungsvorgangs von DNA untersucht. Spontane Branch Migration einer homologen Holliday-Struktur wurde genutzt, um die intramolekulare Reibung der DNA zu erforschen. Mittels einer magnetischen Pinzette wurde eine torsionslimitierte Holliday-Struktur gestreckt während die Längenfluktuationen der Zweige mit schneller Videomikroskopie bei ~3 kHz aufgezeichnet wurden. Einzelne diffusive Schritte der Basenpaare sollten auf einer sub-Millisekunden Zeitskala auftreten und viel kleiner als die Gesamtfluktuationen der DNA sein. Eine Analyse der spektralen Leistungsdichte der Längenfluktuationen ermöglicht eine eindeutige Beschreibung der Dynamik der Branch Migration. Die Holliday-Struktur wurde außerdem als nanomechanischer Linearversteller eingesetzt, um einen einzelnen fluoreszierenden Quantenpunkt durch ein exponentiell abfallendes evaneszentes Feld zu bewegen. Durch die Aufzeichnung der Emission des Quantenpunkts sowohl in dem evaneszenten Feld als auch unter gleichmäßiger Beleuchtung kann die Intensitätsverteilung des Anregungsfelds ohne weitere Dekonvolution bestimmt werden. Diese neue Technik ist von besonderem wissenschaftlichen Interesse, weil die Beschreibung dreidimensionaler inhomogener Beleuchtungsfelder eine große Herausforderung in der modernen Mikroskopie darstellt. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden dem besseren Verständnis einer Vielzahl biologischer Prozesse, die in Verbindung mit DNA Superspiralisierung stehen, dienen und weitere technische Anwendungen des DNA-basierten Linearverstellers hervorbringen. / The genome inside the cell is continuously subjected to tension and torsion primarily due to a complex interplay with a large variety of proteins. To gain insight into these processes it is crucial to understand the mechanics and dynamics of twisted DNA under tension. Here, this situation is mimicked experimentally by applying force and torque to a single DNA molecule with so called magnetic tweezers and measuring its mechanical response. As a first example a transition from a linear to a plectonemic DNA configuration is studied, i.e. the absorption of part of the applied twist in a superhelical structure. Recent experiments revealed the occurrence of an abrupt extension change at the onset of this transition. Here, it is found that this abrupt DNA shortening strongly depends on the length of the DNA molecule and the ionic strength of the solution. This behavior can be well understood in the framework of a model in which the energy per writhe for the initial plectonemic loop is larger than for subsequent turns of the superhelix. Furthermore DNA-DNA interactions in the presence of monovalent ions were comprehensively characterized by analyzing the supercoiling behavior of single DNA molecules held under constant tension. These interactions are important for genome compaction and transcription regulation. So far DNA is often modeled as a homogeneously charged cylinder and its electrostatic interactions are calculated within the framework of the Poisson-Boltzmann equation including a charge adaptation factor. Despite considerable efforts, until now a rigorous quantitative assessment of this parameter has been lacking. A theoretical model of this process revealed a surprisingly small effective DNA charge of ~40% of the nominal charge density. Besides describing equilibrium processes, also the dynamics during refolding of nucleic acids is investigated. Spontaneous branch migration of a homologous Holliday junction serves as an ideal system where the friction within the biomolecule can be studied. This is realized by stretching a torsionally constrained Holliday junction using magnetic tweezers and recording the length fluctuations of the arms with high-speed videomicroscopy at ~3 kHz. Single base pair diffusive steps are expected to occur on a sub-millisecond time scale and to be much smaller than the overall DNA length fluctuations. Power-spectral-density analysis of the length fluctuations is able to clearly resolve the overall dynamics of the branch migration process. Apart from studying intramolecular friction, the four-arm DNA junction was also used as a nanomechanical translation stage to move a single fluorescent quantum dot through an exponentially decaying evanescent field. Recording the emission of the quantum dot within the evanescent field as well as under homogeneous illumination allows to directly obtain the intensity distribution of the excitation field without additional deconvolution. This new technique is of particular scientific interest because the characterization of three-dimensional inhomogeneous illumination fields is a challenge in modern microscopy. The results presented in this work will help to better understand a large variety of biological processes related to DNA supercoiling and inspire further technical applications of the nanomechanical DNA gear.

In der 175-jährigen Geschichte der Technischen Universität Chemnitz nimmt die Technische Mechanik im Kanon der technikwissenschaftlichen Disziplinen eine exponierte Stellung ein, zählt sie doch zu jenen Grundlagenfächern, die bereits nach Gründung der Königlichen Gewerbschule im Jahre 1836 auf dem Lehrplan standen und im Fortgang der Schulentwicklung stete Ausformung und Bereicherung erfuhren. Getragen von einer Vielzahl von Lehrer- und Forscherpersönlichkeiten, die überwiegend auf langjährige praktische Erfahrungen in renommierten Betrieben und unterschiedlichen gesellschaftlichen Bereichen verweisen konnten, nahm das Fachgebiet bis zur Gegenwart eine bemerkenswerte Entwicklung. Heute stellt es einen wichtigen Eckpfeiler der Fachausbildung dar und wird nicht nur von den Studenten im Maschineningenieurwesen, sondern auch von zahlreichen tangierenden Disziplinen wahrgenommen. Erstmals wird diese historische Entwicklung aus verschiedenen Perspektiven zusammengefasst, indem sowohl die Entwicklung der Lehrinhalte als auch die Spezifik der jeweiligen Ausbildungsgegebenheiten eingehender beschrieben wird. Dabei finden Lehrende wie Lernende, aber auch Forschung und Entwicklung, wissenschaftliches Leben, internationale Zusammenarbeit und Publizistik gleichermaßen Berücksichtigung. Das Buch ist das Resultat langjähriger Forschungsarbeiten, die im Zusammenhang mit der Geschichte der Bildungseinrichtung und zu ausgewählten Themen der Wissenschaftsentwicklung unter der Obhut der Professur Wissenschafts-, Technik- und Hochschulgeschichte geleistet wurden, und als ein Beitrag zum Jubiläum »175 Jahre TU Chemnitz« zu verstehen. / During the 175 years history of the Technical University of Chemnitz technical mechanics has been one of the basic disciplines of the engineering sciences. From the Higher Vocational School`s foundation in 1836 it has been part of the curriculum and has experienced continuous enrichment and refinement. As a result of excellent work of a large number of academic researchers and teachers, most of them with a background at renowned industrial companies and in diverse social areas, this scientific field experienced a remarkable development. Today it represents an important cornerstone of the curriculum and is studied not only by mechanical engineering students but also by many others from neighboring disciplines. For the first time this historical development is presented from different perspectives, dealing in depth with the evolution of the different subjects taught and also with the specifics of the conditions of academic teaching. In this context, academic teachers and students, research and development, academic life, international cooperation as well as publications are dealt with. This book is the outcome of longstanding research pursued by the Chair of the History of Science, Technology and Higher Learning on selected topics of the history of science and academic education. It is a contribution to the 175th anniversary of the Technical University of Chemnitz.

Der Tagungsband wurde im Rahmen des 10th Youth Symposium on Experimental Solid Mechanics vom 25. bis 28. Mai 2011 an der Technischen Universität Chemnitz publiziert. Es werden aktuelle Arbeiten von jungen Wissenschaftlern aus 11 Nationen auf dem Gebiet der experimentellen Festkörpermechanik vorgestellt. Dabei reichen die Beiträge von Material- über Bauteilprüfung bis zur Biomechanik und beleuchten eine Reihe unterschiedlicher Messmethoden und Anwendungen. / This proceedings were published on the occasion of the 10th Youth Symposium on Experimental Solid Mechanics from 25th to 28th May 2011 at the Chemnitz University of Technology. It presents the current work from young researchers from 11 nations in the field of experimental solid mechanics. The contributions have a range from materials testing over components testing to biomechanics and examine a number of different measurement methods and applications.

The outstanding properties of carbon nanotubes (CNTs) keep attracting the attention of researchers from different fields. CNTs are promising candidates for applications e.g. in lightweight construction but also in electronics, medicine and many more. The basis for the realization of the manifold applications is a detailed knowledge of the material properties of the carbon nanotubes. In particular for applications in lightweight constructions or in composites, the knowledge of the mechanical behavior of the CNTs is of vital interest. Hence, a lot of effort is put into the experimental and theoretical determination of the mechanical material properties of CNTs. Due to their small size, special techniques have to be applied. In this research, a modified molecular structural mechanics model for the numerical determination of the mechanical behavior of carbon nanotubes is presented. It uses an advanced approach for the geometrical representation of the CNT structure while the covalent bonds in the CNTs are represented by beam elements. Furthermore, the model is specifically designed to overcome major drawbacks in existing molecular structural mechanics models. This includes energetic consistency with the underlying chemical force field. The model is developed further to enable the application of a more advanced chemical force field representation. The developed model is able to predict, inter alia, the lateral and radial stiffness properties of the CNTs. The results for the lateral stiffness are given and discussed in order to emphasize the progress made with the presented approach.