As pointed out by Farrell, a normalmode analysis alone may be not enough for a convicing investigation of baroclinic stability. In some models growth rates can be achieved large enough to enable nonlinear growth also in parameter ranges of neutral normalmodes. According to Farrell one has also to consider that structures, which achieve optimal growth for a given, fixed time interval (i.e. the singular vectors). Fischer (1998) investigated this problem for the classical Eady-model with q'' = 0 - a case which can be treated analytically. In this paper we want to give a short overview of an investigation of singular vectors in Eady-models with β ≠ 0 and q'' = 0. Our aim was to understand the influence of β ≠ 0 on optimal growth. Qualitative differences to Fischer’s results are only found at small wavenumbers below the longwave cutoff. The most remarkable difference beyond the longwave cutoff is the fact, that the singular vectors of the model with β ≠ 0 grow faster in the upper half of the fluid than in the lower half for the considered basic flows. The growth rates for parameter ranges of neutral normalmodes are too small to enable nonlinear growth effects in meteorologically relevant times. For long timescales we find, that the cutoffs must be understood more as a smooth transition to instability.

Die pyogene Spondylodiszitis als bakterielle Osteomyelitis der Wirbelsäule ist eine seltene Entität der bakteriell-entzündlichen Pathologien des Stütz- und Bewegungsapparates. Trotz adäquater Behandlungsstrategien, wird auch heute noch eine Mortalitätsrate von 5% bis 20% beschrieben. Vor allem die in dem vorwiegend älteren Patientenkollektiv deutlich erhöhte Prävalenz an metabolischen oder kardiopulmonalen Komorbiditäten fordert moderne Therapiekonzepte, die eine risikoarme, jedoch effektive Eradifizierung des bakteriell-entzündlichen Fokus mit schneller Wiederherstellung der prämorbiden Mobilität ermöglichen. Ausgehend von zwei grundlagenwissenschaftlichen Studien, wurden in der vorliegenden Habilitationsschrift zunächst die komplexen Zusammenhänge von lokaler Gewebsveränderungen und systemischer Entzündung erörtert. Hierbei zeigten die Analysen humaner degenerativer und traumatischer Bandscheibenzellen, dass die Apoptose, insbesondere die Herabregulation anti-apoptotischer Schlüsselkomponenten wie das Bcl-2, als mögliche Schnittstelle im katabolen Stoffwechsel der extrazellulären Bandscheibenmatrix diskutiert werden kann. In der generalisierten bakteriellen Entzündung (Sepsis), ließ sich durch die gentherapeutisch gewebsständige Überexpression von antiapoptotischen und antiinflammatorischen Interleukin-10 (IL-10), auch im IL-10-defzienten Organismus, eine deutliche Reduktion der systemischen proinflammatorischen Immunantwort mit verbesserter Überlebensrate septischer Tiere erzielen. Jedoch birgt der substantielle Gewebeschaden bei pyogener Spondylodiszitis nicht selten die Gefahr der konsekutiven Instabilität mit neurologischen Komplikationen und stellt damit eine besondere chirurgische Herausforderung dar. Daher wurden in drei weiteren klinischen Studien unsere, in den letzten 10 Jahren etablierten, lösungsorientierten Strategien erläutert. Zur Überbrückung größerer knöcherner Defekte gelang mit der Implantation expandierbarer Titancages eine sichere knöcherne Durchbauung mit vollständiger Ausheilung des Infektes. Im Beobachtungszeitraum von mehr als 3 Jahren war bei keinem der Patienten ein Infektrezidiv zu verzeichnen. In komplexen Fällen von monosegmentaler Spondylodiszitis der LWS mit multisegmentaler epiduraler Abszedierung, führte die epidurale Katheterspülung über den dorsalen Zugang für die Spondylodese zu einer folgenlosen Ausheilung. Damit konnte ein zusätzliches, iatrogenes Trauma mit multisegmentalen Lamintomien über die Distanz des epiduralen Abszesses vermieden werden. In einer weiteren Studie mit einem Beobachtungszeitraum von bis zu 5 Jahren, erzielte die Implantation von Poly-Ether-Ether-Keton (PEEK) Cages zur dorsalen intersomatischen Fusion bei pyogener Spondylodiszitis eine sehr gute, stabile knöcherne Durchbauung des infizierten Segmentes, ebenfalls ohne Infektrezidiv. Diese Abweichung vom herkömmlichen Standard mit Titanimplantaten erwies sich somit als sichere Alternative mit den für PEEK charakteristischen, verbesserten Eigenschaften. Im Vergleich zu herkömmlichen Operationsverfahren, verspricht die Integration dieser Ergebnisse in die Weiterentwicklung minimal-invasiver Techniken, insbesondere im multimorbiden Patientenklientel, mindestens gleichwertig gute Ergebnisse bei deutlich reduziertem Operationstrauma.

Es werden die Eigenschaften von Driftwellen untersucht, welche an der rotierenden magnetisierten Plasmasäule des PSI-1/2 beobachtet wurden. Ihre parallelen Wellenzahlen sind sehr klein, sie besitzen eine nahezu lineare azimutale Dispersionsrelation, ihre azimutale Phasengeschwindigkeit ist etwa gleich der azimutalen Ionendriftgeschwindigkeit und die Potentialfluktuationen eilen den Dichtefluktuationen um etwa Pi hinterher. Deshalb können sie als Ionendriftwellen bezeichnet werden. Alle zugehörigen Messungen wurden mit Langmuirsonden, Spektrometern und schnellen CCD-Kameras durchgeführt. Ein einfaches analytisches Modell, welches die Potential- und Dichteverteilung der Ionendriftwelle beschreibt, offenbart den zugrundeliegenden Instabilitätsmechanismus. Weiterhin wird eine Klassifikation der beobachteten Ionendriftinstabilität in einem Übersichtsschema der bekannten Driftinstabilitäten gegeben. Abschließend wurden die parallele und senkrechte Teilchendiffusion untersucht. Während der gemessene parallele Diffusionskoeffizient sehr gut mit den theoretischen Vorstellungen übereinstimmt, kann die beobachtete Senkrechtdiffusion nicht allein durch die klassische Diffusion erklärt werden. Email: sok@ipp.mpg.de / The properties of drift waves observed in the rotating magnetized plasma column of the PSI-1/2 will be shown. Their parallel wave numbers are very small, their azimuthal dispersion relation is approximately linear, their resultant azimuthal phase velocity is nearly equal to the azimuthal ion drift velocity, and the potential fluctuations always lag behind the density fluctuations with a phase shift of approximately Pi. Therefore, they can be identified as ion drift waves. All corresponding measurements were performed with Langmuir-probes, spectrometers and fast CCD-cameras. A simple analytical model, describing the potential- and density distribution of the ion drift wave, shows the underlying mechanism of the instability. Furthermore, a classification of the observed ion drift instability is given, by referring to a survey scheme summarizing all known drift instabilities. Finally, the parallel and perpendicular particle diffusion were investigated. While the measured parallel diffusion coefficient is in a good agreement with the theory, the observed perpendicular diffusion can not be described with the classical diffusion alone. Email: sok@ipp.mpg.de

Das Schweißen von WPC stellt zunächst aufgrund der thermoplastischen Matrix eine effektive Fügetechnologie dar. Der Beitrag behandelt das Heizelementschweißen von WPC und liefert Aussagen zur Wirkung der Prozessparameter auf die mechanischen und geometrischen Nahteigenschaften, dem Rezeptureinfluss und der thermischen Instabilität der Holzfaser. An den WPC-Rezepturen auf Basis von Polypropylen mit 40 Gew.-% und 50 Gew.-% Holzfasern sowie des Einsatzes von PET-Fasern im Compound, werden die Zusammenhänge untersucht und die Versagensmechanismen aufgezeigt.

The dynamics of A + B → C reaction fronts is studied under modulated gravitational acceleration by means of a combination of parabolic flight experiments and numerical simulations. During modulated gravity the front position undergoes periodic modulation with an accelerated front propagation under hyper-gravity together with a slowing down under low gravity. The underlying reason for this is an amplification and a decay, respectively, of the buoyancy-driven double vortex associated with the front propagation under standard gravitational acceleration, as explained by reaction–diffusion–convection simulations of convection around an A + B → C front. Deeper insights into the correlation between grey-value changes in the experimental shadowgraph images and characteristic changes in the concentration profiles are obtained by a numerical simulation of the imaging process. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Beim Stoffübergang einer grenzflächenaktiven Substanz in einem flüssigen Zweiphasensystem kann solutale Marangoni-Instabilität einsetzen. Die weitere nichtlineare Entwicklung der Marangoni-Instabilität geht mit einer enormen Vielfalt von Strömungsmustern einher. In der Literatur wird dieser Aspekt häufig unter dem unscharfen Ausdruck „Grenzflächenturbulenz“ zusammengefasst. Diese Arbeit stellt heraus, dass drei grundlegende Strukturformen existieren: Rollzellen, Relaxationsoszillationen und Relaxationsoszillationswellen. Ein großer Teil der Komplexität der Strömungsmuster ist dadurch begründet, dass die Grundstrukturen unterschiedliche Hierarchieebenen aufweisen. Es werden die zugrunde liegenden Bedingungen für das Auftreten der jeweiligen Strukturtypen, ihre transiente Natur und die Bildung der hierarchischen Strömungsmuster untersucht. Des Weiteren betrachtet diese Arbeit die Wechselwirkungen mit Dichteeffekten, die sowohl die Charakteristik der Strukturen als auch ihre zeitliche Entwicklung beeinflussen.

Diese Arbeit behandelt numerisch die Fluiddynamik in Flüssigmetallbatterien. Insbesonders die Tayler-Instabilität und Elektrowirbelströmungen werden ausführlich betrachtet. Die Motivation der Untersuchungen besteht zum einen in einer Steigerung von Leistung und Sicherheit und zum anderen in der Senkung von Produktions- und Betriebskosten von Flüssigmetallbatterien. Es wird ein Lösungsverfahren für zeitabhängige magnetohydrodynamische Strömungen entwickelt und in OpenFOAM implementiert. Die Basisversion des Lösers erlaubt die Analyse einer flüssige Elektrode. Eine Erweiterung dient der Untersuchung des Einflusses von Stromsammler und Zuleitung der Batterie. Simulationen werden vorwiegend für zylindrische, aber auch für quaderförmige Elektrodengeometrien durchgeführt. Der Hauptteil der Arbeit widmet sich der stromgetriebenen Tayler-Instabilität, die in großen Batterien bei Strömen von einigen Kiloampere auftritt und dort zu einer Strömung in Form von Konvektionszellen führt. Das Auftreten, Wachstum und die Geschwindigkeiten dieser Instabilität werden analysiert und deren Bedeutung für die Batterie diskutiert. Zur Dämpfung bzw. Unterdrückung der Strömung werden eine Reihe von Gegenmaßnahmen vorgestellt und deren praktischer Nutzen bewertet. Der zweite, kürzere Teil der Arbeit befasst sich mit Elektrowirbelströmungen, deren Charakterisierung und ihren Wechselwirkungen mit der Tayler-Instabilität. Die besondere Bedeutung von Elektrowirbelströmungen für die Integrität der Elektrolytschicht sowie ihre Anwendbarkeit für die Verbesserung des Stofftransports in Flüssigmetallbatterien werden vervorgehoben.

The dynamics of A + B → C reaction fronts is studied under modulated gravitational acceleration by means of a combination of parabolic flight experiments and numerical simulations. During modulated gravity the front position undergoes periodic modulation with an accelerated front propagation under hyper-gravity together with a slowing down under low gravity. The underlying reason for this is an amplification and a decay, respectively, of the buoyancy-driven double vortex associated with the front propagation under standard gravitational acceleration, as explained by reaction–diffusion–convection simulations of convection around an A + B → C front. Deeper insights into the correlation between grey-value changes in the experimental shadowgraph images and characteristic changes in the concentration profiles are obtained by a numerical simulation of the imaging process. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Einleitung: Der vordere Kreuzbandriss ist die häufigste Lahmheitsursache der Hintergliedmaße beim Hund und führt zu einer Kniegelenksinstabilität im Sinne einer kranio-kaudalen Translationsbewegung. Die Tibial Plateau Leveling Osteotomy (TPLO) ist eine der populärsten Operationsmethoden zur dynamischen Stabilisierung des kaninen Kniegelenks nach einer Ruptur des vorderen Kreuzbandes. Postoperativ kommt es bei Anwendung dieser Technik häufig zu einer Verdickung des Ligamentum patellae (Lig. patellae). Diese kann asymptomatisch sein, aber auch mit einer Lahmheit und Druckdolenz im Sinne einer Tendinose einhergehen. Ziele der Untersuchungen: Die Ziele der vorliegenden Arbeit waren die Bestimmung der Prävalenz einer kranio-kaudalen Instabilität des kaninen Kniegelenks bei kompletter Ruptur des vorderen Kreuzbandes vor und nach der TPLO sowie die Bestimmung der Prävalenz und Risikofaktoren einer Verdickung des Ligamentum patellae bei diesen Gelenken. Tiere und Methoden: Insgesamt wurden 37 Kniegelenke mit einer kompletten vorderen Kreuzbandruptur untersucht. Dabei wurden die Daten von 21 Kniegelenken retrospektiv ausgewertet und für 16 Kniegelenke prospektiv erhoben. Zur Sicherung der Diagnose und Beurteilung der Menisken wurden alle Kniegelenke zehn bis 14 Tage vor der Stabilisierung arthroskopiert. War eine Meniskuspathologie vorhanden, wurde eine Teilmeniskektomie durchgeführt. In der retrospektiven Gruppe wurde im Rahmen der TPLO ein postoperativer Tibiaplateauwinkel (TPA) von 5° und in der prospektiven Gruppe von 0° angestrebt. Die Patienten wurden präoperativ und im Zeitraum von sechs bis acht Wochen nach einer TPLO mit Hilfe der uniplanaren fluoroskopischen Kinematografie auf einem Laufband untersucht. Es erfolgte eine visuelle, quantitative Auswertung der entstandenen Videosequenzen durch zwei unabhängige Untersucher, wobei eine sichtbare kranio-kaudale Translationsbewegung als Kniegelenksinstabilität gewertet wurde. Zusätzlich wurde eine Vermessung zur Beurteilung der postoperativen Verdickung des Ligamentum patellae bei 36 der 37 Kniegelenke an einem proximalen und einem distalen Messpunkt durchgeführt. Diese Messung erfolgte ebenfalls präoperativ und im Zeitraum von sechs bis acht Wochen nach der TPLO. Ergebnisse: Insgesamt waren 28 von 37 Kniegelenken in der Sagittalebene stabil (75,68 %). In der prospektiven Gruppe traten signifikant häufiger stabile Kniegelenke auf (p = 0,02). Der postoperative TPA war in der prospektiven Gruppe signifikant kleiner als in der retrospektiven Gruppe (p = 0,01). Die Wahrscheinlichkeit der Stabilität steigt bei niedrigem postoperativen TPA an (Steigungsparameter −0,22, p = 0,03). Es konnte kein statistisch signifikanter Einfluss des Rotationswinkels auf die Kniegelenksstabilität festgestellt werden (p = 0,42). Zwischen Meniskusteilresektion und postoperativer Stabilität konnte ebenfalls kein statistisch signifikanter Zusammenhang ermittelt werden (p = 0,63). Bei allen Kniegelenken fand nach der TPLO eine Verdickung des Lig. patellae statt. Diese war am distalen Messpunkt stärker als proximal (p = 0,00). Zwischen den beiden Gruppen war kein signifikanter Unterschied bezüglich der Dickenzunahme der Patellarsehne zu verzeichnen (p = 0,13). Bei einem niedrigeren postoperativen TPA zeigte sich eine signifikante Zunahme der Verdickung des Lig. patellae an beiden Messpunkten (proximal: p = 0,02; distal: p = 0,03). Es zeigte sich außerdem eine tendenziell stärkere Dickenzuname am distalen Messpunkt bei einer schmalen Tuberositas tibiae (Steigungsparameter −0,08, p = 0,54) und an beiden Messpunkten bei einem hohen Rotationswinkel (Steigungsparameter 0,10, proximal: p = 0,18; distal: p = 0,09). Schlussfolgerung: Da in der prospektiven Gruppe ein postoperativer TPA von 0° angestrebt wurde, wurden auch signifikant kleinere TPA und mehr stabile Kniegelenke als in der retrospektiven Gruppe erzielt. Der Rotationswinkel und die Meniskusteilresektion haben keinen Einfluss auf die kranio-kaudale Kniegelenksstabilität nach einer TPLO. Bei allen Kniegelenken fand eine Verdickung des Lig. patellae postoperativ statt, die am distalen Messpunkt stärker war. Einen Risikofaktor dafür stellt ein niedriger postoperativer TPA dar. Die kraniokaudale Ausdehnung der Tuberositas tibiae nach der Osteotomie und der Rotationswinkel scheinen einen Einfluss auf die Entwicklung einer solchen Verdickung zu haben. Für die Beurteilung der klinischen Relevanz dessen sind weiterführende Studien notwendig.

Microtubules are cytoskeletal protein polymers relevant to a wide range of cell functions. In order to polymerize, the constituent tubulin subunits need to bind the nucleotide GTP, but its subsequent hydrolysis to GDP in the microtubule lattice induces depolymerization. The resulting behaviour of stochastic switching between growth and shrinkage is called dynamic instability. Both dynamic instability and microtubule mechanical properties are integral to many cell functions, yet are poorly understood. The present study uses thermal fluctuation measurements of grafted microtubules with different nucleotide contents to extract stiffnesses, relaxation times, and drag coefficients with an unprecedented precision. Both the stiffness and the relaxation time data indicate that stiffness is a function of length for GDP microtubules stabilized with the chemotherapy drug taxol. By contrast, measurements on microtubules polymerized with the non-hydrolizable GTP-analogue GMPCPP show a significantly higher, but constant, stiffness. The addition of taxol is shown to not significantly affect the properties of these microtubules, but a lowering of the GMPCPP content restores the length-dependent stiffness seen for taxol microtubules. The data are interpreted on the basis of a recent biopolymer model that takes into account the anisotropic architecture of microtubules which consist of loosely coupled protofilaments arranged in a tube. Using taxol microtubules and GMPCPP microtubules as the respective analogues of the GDP and GTP state of microtubules, evidence is presented that shear coupling between neighbouring protofilaments is at least two orders of magnitude stiffer in the GTP state than in the GDP state. Previous studies of nucleotide effects on tubulin have focussed on protofilament bending, and the present study is the first to be able to show a dramatic effect on interprotofilament bonds. The finding’s profound implications for dynamic instability are discussed. In addition, internal friction is found to dominate over hydrodynamic drag for microtubules shorter than ∼ 4 μm and, like stiffness, to be affected by the bound nucleotide, but not by taxol. Furthermore, the thermal shape fluctuations of free microtubules are imaged, and the intrinsic curvatures of microtubules are shown for the first time to follow a spectrum reminiscent of thermal bending. Regarding the extraction of mechanical data, this assay, though previously described in the literature, is shown to suffer from systematic flaws.