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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung von Zellen mit einem Elastomer sowie deren Verwendung.
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Zelldeformationssysteme leisten in der Grundlagenforschung und medizinisch/klinischen Analyse einen wichtigen Beitrag, um zyklische Deformationen, wie sie in tierischen Geweben auftreten, zu simulieren. Diese Deformationen, etwa um arterielle Blutgefäße oder um den Verdauungstrakt herum, stellen ein Signal für die Zellen dar und führen zu morphologischen sowie funktionellen Änderungen der betroffenen Gewebe, ohne die deren Funktionalität nicht gewährleistet wäre.
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Typischerweise richten sich Zellen in einem bestimmten Winkel zu einer angelegten Deformation aus. Der Winkel kann hierbei in einem Bereich zwischen 60° und 90°, bezogen auf die angelegte Deformationsrichtung, variieren. Die experimentelle Simulation statischer oder zyklischer Deformation von Zellen in Zellkultur wird mittels sogenannter Cell-Stretcher durchgeführt. Dabei stellt die Kenntnis über die Neuausrichtung von Zellen einen wichtigen Forschungszweig für das Verständnis strukturierter Gewebe dar.
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Cell-Stretcher werden nach dem Versuchsaufbau in unidirektionale, bidirektionale und equibiaxiale Stretcher eingeteilt. Equibiaxiale Cell-Stretcher benutzen meist verschiedenartige Kolbensysteme, über die an einem Ende eine elastische Membran gespannt wird. Durch Anlegen eines Über- bzw. Unterdrucks innerhalb des Kolbens mittels pneumatischer Ansteuerung wird die darüber liegende Membran gedehnt. Auf der Membran ausgesäte Zellen werden, wenn sie auf der Oberfläche adheriert sind, so einer Deformation ausgesetzt. Ein Nachteil dieser Systeme ist, dass isotrope Dehnungsexperimente nur sehr eingeschränkt verwertbare Ergebnisse liefern.
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Uni- und biaxiale Cell-Stretcher bedienen sich elektromotorischer Antriebe. Typischerweise werden Schrittmotore oder Gleichstrommotore verwendet. Elastische Membranen, sogenannte Elastomere oder Kammern, die zwischen eine Haltevorrichtung und einen entsprechenden Antrieb eingebaut werden, können so uniaxial gedehnt werden. Durch Verwendung von mindestens vier, typischerweise acht solcher Antriebe, kann auch eine aufeinander folgende Dehnung einer elastischen Membran oder Kammer in zwei Richtungen sequentiell biaxial erfolgen.
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Nachteilig sind derartige biaxiale Cell-Stretcher gemäß Stand der Technik allein auf Grund der Anzahl an Motoren und der dazugehörigen Steuerelektroniken teuer. Ferner ist nachteilig, dass die Cell-Stretcher gemäß Stand der Technik keine Bestimmung der Verformung des Elastomers und der Zellkräfte ermöglichen und daher die ermittelten Ergebnisse zur Simulation der durch Dehnung verursachten Antwort von Zellen in situ, das heißt in Gewebe, nicht herangezogen werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Untersuchung von Zellen mit einem Elastomer zu entwickeln, mit deren Hilfe der Einfluss von äußerem mechanischem Stress auf die Zellen besser untersucht werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 und deren Verwendung gemäß Nebenanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils rückbezogenen Ansprüchen.
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Das Elastomer aus kreuzvernetztem Silikonöl (Polydimethylsiloxan, PDMS) ist als eine Kammer ausgeführt, die gleichzeitig als Zellkulturschale während eines Streckexperimentes dient. Die Elastomerkammer dient der Aufnahme von Zellen. Das heißt auf das Elastomer werden Zellen ausgesät, welche auf der Oberfläche adhärieren. Das Elastomer weist hierzu einen Boden und einen dickeren Randbereich auf.
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Im Boden sind regelmäßige Mikrostrukturen angeordnet, auf denen die Zellen adhäriert vorliegen. Die Durchmesser der Mikrostrukturen und die Abstände zwischen den Mikrostrukturen im Boden liegen vorteilhaft im Mikrometerbereich und betragen typisch etwa 1 bis 10 μm. Die Tiefe der Mikrostruktur ist einstellbar und kann so variiert werden, dass die Zellen sie entweder nicht oder gezielt erkennen. Die Mikrostruktur dient in den Experimenten als Maßstab, mit dem die an das Elastomer angelegte Dehnung und auf die Zellen einwirkenden Kräfte bestimmt werden können.
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Mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen kann erstmalig exakt der Unterschied zwischen der an die Elastomerkammer angelegten Dehnung und der tatsächlich an den Zellen ankommenden Dehnung bestimmt werden. Die Dehnung der Kammer in X-Richtung verursacht eine Querkontraktion und damit eine Stauchung des Elastomers in Y-Richtung. Dies führt zu einer kissenförmigen Deformation der Elastomerkammer und insbesondere auch des Kammerbodens, auf dem die Zellen adhäriert sind. Der Verlauf der Verformung des Kammerbodens kann über die Erkennung der Mikrostruktur exakt bestimmt werden. Zusätzlich können bei Kenntnis des E-moduls des Elastomers auch Kräfte von adhärierten Zellen in zyklischen Dehnversuchen erstmalig bestimmt werden.
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Die Erkennung der Mikrostruktur ist sowohl zu Kalibrierungszwecken ohne ausgesäte Zellen als auch während der Durchführung eines Experimentes über die Zeit möglich. Hierdurch können erstmalig genaue Vorhersagen zum vermuteten Ausrichtungswinkel der Zellen gemacht und experimentelle Parameter so eingestellt werden, dass diese zur Überprüfung der Vorhersagen optimal geeignet sind.
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Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass mit einer Vorrichtung zur Untersuchung der Zellen der Einfluss statischer oder zyklischer Krafteinwirkung auf die Zellen mit einem Elastomer genau bestimmbar ist. Dabei werden Zellen auf einem Elastomer, bzw. allgemein gesprochen einem elastischen Substrat, aufgebracht und das Substrat wird, nachdem die Zellen darauf adhäriert sind, statisch oder zyklisch gedehnt, das heißt die Zellen werden mit dem Boden zusammen deformiert. Es wurde erkannt, dass die Neuausrichtung der Zellen dabei von der Querkontraktion des verwendeten Substrats abhängt, das heißt um wieviel die Zellen bei zyklischen Dehnexperimenten gleichzeitig gestaucht werden. Die Querkontraktionszahl beschreibt das Verhältnis von Stauchung (in Y-Richtung) zu Dehnung (in X-Richtung) eines elastischen Substrats, wobei die Dickenänderung des Kammerbodens (in Z-Richtung) vernachlässigt werden kann, da die adhärierten Zellen nur das Deformationsfeld in der X-Y Ebene wahrnehmen. Die Querkontraktionszahl, auch Poissonzahl genannt, ist materialspezifisch und beträgt z. B. bei PDMS als Substratmaterial 0,5. Die Stauchung der Kammer und des Bodens kann durch eine entsprechende geometrische Formgebung und Versteifungen variiert werden.
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Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass mit den Vorrichtungen aus dem Stand der Technik die genaue Charakterisierung der an die Zelle angelegten Dehnung, die Bestimmung der Kräfte sowie die Bestimmung der Querkontraktion nicht möglich sind. Es wurde zudem erkannt, dass die Querkontraktion der Elastomerkammer einen entscheidenden Einfluss auf das Verhalten der Zelle insbesondere bei der Neuausrichtung hat. Da die aus dem Stand der Technik bekannten Zellkammern in Cell-Stretchern in diesem Zusammenhang mit Ungenauigkeiten behaftet sind, treten große Fehler in der Auswertung der Experimente auf.
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Das elastische Substrat weist vorzugsweise eine rechteckige, z. B. quadratische Wannenform auf, denn insbesondere in Bezug auf die Herstellung der Kammern, z. B. im Gießverfahren, sind die Negativformen dazu einfach und kostengünstig herzustellen.
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Besonders vorteilhaft weist das Elastomer in seinem Randbereich Ausnehmungen auf. Die Ausnehmungen sind lochartig und können vorzugsweise in Z-Richtung durch den gesamten Rand des Elastomers hindurchführen. Die Ausnehmungen stellen Führungen dar, mit der das Elastomer stabil mit dem motorischen Antrieb des Cell-Stretchers verankert wird.
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Die Ausnehmungen werden besonders vorteilhaft während des Herstellungsverfahrens der Elastomerkammer automatisch in einem gemeinsamen Kreuzvernetzungsprozess in den Rand eingebracht. Hierzu sind in die Negativform Stifte mit den gewünschten Maßen für die Ausnehmungen an die entsprechenden Stellen der Negativform eingebracht. Die Stifte weisen dieselben Maße auf, wie die Befestigungsstifte im Cell-Stretcher für das Elastomer. Das Polymer (PDMS Silikonöl) wird mit einem Co-polymer (Kreuzvernetzer) vermischt und das noch flüssige Elastomer wird in die Negativform eingegossen und umschließt noch als Flüssigkeit im nicht kreuzvernetzten Zustand die Stifte. Danach wird das PDMS nach Herstellerangaben ausgehärtet bzw. kreuzvernetzt. Nach dem Aushärten ist besonders vorteilhaft ein Formschluss der Ausnehmungen im Elastomer mit der Halterung des Motors des Cell-Stretchers gewährleistet, der auf bestmögliche Weise das Elastomer stabil mit den Befestigungen des Cell-Stretchers verbindet.
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Vorzugsweise weist das Elastomer einen Randbereich mit abgerundeten Ecken auf. Vorteilhaft reißen diese auch nicht bei Dauerbelastungen durch häufiges zyklisches Dehnen und Stauchen, im Gegensatz zu den scharfkantigen Übergängen gemäß Stand der Technik.
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Die abgerundeten Ecken können vorzugsweise im nach außen und/oder auch im nach innen gerichteten Randbereich vorliegen. Da die Ausnehmungen in den runden Ecken angeordnet sind und hierüber das Elastomer mit den Haltestiften des Cell-Stretchers verbunden ist, ist eine besonders gute Kraftübertragung des Cell-Stretchers während der Dehnung des Substrats auf dessen Kammerboden und damit auf die Zellen gewährleistet. Die abgerundeten Ecken übertragen durch den damit verbundenen günstigeren Kraftverlauf die angelegte Amplitude des Stretchers wesentlich exakter, als die aus dem Stand der Technik bekannten eckigen Ecken.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Wandstärke der Ecken der Elastomerkammer größer, als die Wandstärke im übrigen Randbereich. Dies führt vorteilhaft zu einer weiteren Stabilisierung der Kammer während des Dehnungsversuches.
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Besonders vorteilhaft weist das Elastomer eine Form auf, bei der die sich gegenüberliegenden Randbereiche eine identische Wandstärke aufweisen, und bei der die sich nicht gegenüberliegenden Randbereiche hierzu gleich oder verschieden stark sein können. Die Wandhöhe ist konstant. Die Elastomerkammer kann besonders vorteilhaft so variiert werden, dass über die Wandstärke des Rands der Elastomerkammer parallel zur Zugrichtung die Querkontraktion des Kammerbodens eingestellt werden kann. Dieses führt dazu, dass Zellen bei gleicher Streckamplitude sich neu ausrichten können.
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Untersuchungen bei kleiner Stauchung und großer Dehnung (kleiner Querkontraktion des Substrats) werden möglich, indem der Rand des Elastomers parallel zur Zugrichtung weniger nachgiebig hergestellt wird als die übrigen Randbereiche.
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Der Randbereich des Elastomers parallel zur Zugrichtung kann aber auch in sich unterbrochen oder auch völlig ausgespart sein. Dadurch vergrößert sich die Querkontraktion. Bei einem frei hängenden Boden der Elastomerkammer, das heißt ohne Randbereich parallel in Zugrichtung, erreicht man die maximale Querkontraktion. Somit ist es möglich, mit uniaxialen Zellstrecksystemen durch die Einstellung der Querkontraktion, biaxiale Zellstrecksysteme zu simulieren und das entsprechende Zellverhalten zu studieren. Da bekannte biaxiale Zellstrecksysteme ein Vielfaches uniaxialer Systeme kosten, ist dies ein großer Schritt in Richtung Kostenreduzierung.
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Der Randbereich des Elastomers senkrecht zur Zugrichtung kann besonders vorteilhaft verstärkt sein. Die Verstärkung bewirkt eine besonders gleichmäßige Kraftübertragung auf den Elastomerboden und damit auf die darauf ausgesäten Zellen. Die Verstärkung kann klammerartige, zum Elastomer formschlüssige Materialien wie, z. B. Haltewinkel, umfassen. Diese zusätzlichen Halterungen senkrecht zur Zugrichtung verhindern die Durchbiegung des Randbereiches in Zugrichtung und verbessern beim Einsetzen der Kammer in den Cell-Stretcher deutlich das Verhältnis zwischen der angelegten Kammerdehnung und der tatsächlich an den Zellen ankommenden Dehnung. Die Verwendung zusätzlicher Halterungen, bzw. Haltewinkel, bewirkt zudem einen gleichförmigeren Dehnungsverlauf des Kammerbodens und somit einen wesentlich größeren Bereich, in dem die Zellen in ihrem Verhalten untersucht werden können.
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Neben der Bestimmung der Querkontraktion kann die Mikrostruktur gleichzeitig zur Zellkraftanalyse von Zellen vor, während und nach der Substratdehnung eingesetzt werden. Dies ermöglicht erstmalig die simultane, multidimensionale Datenanalyse zweier physikalischer Parameter (Zug- und Zellkraft). Die Auflösungsgrenze von Zellkraftanalysen unter Zug kann in den eingesetzten Kammern zusätzlich durch Einbringung fluoreszierender Nanokugeln in den Kammerboden erhöht werden.
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Grundsätzlich kann die Mikrostruktur durch Stempel, wie in der Deutschen Patentanmeldung
DE 10 2005 005 121 beschrieben, erzeugt werden. Hierauf ist die Erfindung aber nicht beschränkt. Die Struktur kann vielmehr auch durch fluoreszierende Nanokugeln und ähnliche regelmäßige Strukturen erzeugt werden.
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Elastomerkammern können zusätzlich mit unterschiedlichen Elastizitäten hergestellt, bzw. mit Elastomeren unterschiedlicher Elastizität in dünner Schicht ausgekleidet werden. Vorteilhaft weist die Vorrichtung ein Elastomer mit einer Elastizität in einem Bereich von 0,1 kPa bis 1 MPa auf.
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Als Antriebssystem kann bevorzugt ein kommerzieller Linearantrieb eingesetzt werden, bei dem der Anwender alle Parameter, wie z. B. Geschwindigkeit und Verfahrweg, im Rahmen der technischen Spezifikationen des gewählten Antriebs frei einstellen kann.
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Weitere frei wählbare Parameter sind Haltezeiten in der Anfangs- und Endposition, wahlweise sind einzelne oder zyklische Dehnung einstellbar. Dabei ist die Anzahl der Zyklen oder wahlweise die Dauer des Experimentes frei wählbar.
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Der Antrieb ist selbstkalibrierend und verfügt über eine automatische Nullstellung bezogen auf die Geometrie der Elastomerkammer. Zusätzlich kann die Kammer um einen frei wählbaren Betrag vorgedehnt werden, um ein Durchhängen des Kammerbodens auszugleichen. Das Computerprogramm ermöglicht es zu jedem beliebigen Zeitpunkt, das eingestellte Antriebssteuerprogramm zu unterbrechen, anzuhalten und zu einem beliebigen Zeitpunkt fortzusetzen, wobei der Antrieb stromlos geschaltet werden und zu einem anderen Ort gebracht werden kann, z. B. bei einem Wechsel des Experimentortes von einem CO2-Inkubator zu einem Mikroskop. Da das Computerprogramm auch von Wechseldatenträgern lauffähig ist, kann es ebenfalls von einem PC zu einem anderen PC portiert werden. Das im Beispiel unterbrochene Experiment kann daher auch auf einem anderen PC fortgesetzt werden. Des Weiteren verfügt das Computerprogramm über eine Schnittstelle zur Signalgebung an andere laufende Programme, z. B. zur Ansteuerung von Kameras, um während eines Experimentes Bilder aufzunehmen. Alle Programmeinstellungen sind zudem als txt-Files protokollierbar. Die vom Benutzer für Experimente gewählten Antriebsparameter sind als Setup-Einstellungen beliebig speicher- und wieder abrufbar.
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Das gesamte Zellstrecksystem ist auf einem Klemmrahmen aufgebracht, der direkt an ein Zellmikroskop angebracht werden kann. Hierdurch sind je nach Fragestellung auch zeitaufgelöste Untersuchungen möglich. Durch den kompakten Aufbau des gesamten Systems ist der Einsatz auch in CO2-Inkubatoren möglich.
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Vorteilhafte Verwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen in den Streckversuchen für die Zellen, und zwar insbesondere in uniaxialen Streckversuchen.
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Hierzu werden vorteilhaft auf dem Boden Zellen ausgesät und adhäriert. Die vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Querkontraktion des Elastomers in Abhängigkeit von der angelegten Dehnung durch die Mikrostruktur kalibriert und variiert wird.
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Das Elastomer ist prädestiniert dafür in uniaxialen Streckversuchen mit einem Cell-Stretcher eingesetzt zu werden, der ausschließlich einen Zug in X-Richtung des Elastomers hervorrufen kann. Da die Wandstärke der erfindungsgemäßen Vorrichtung in verschiedenen Randbereichen verschieden ausgeführt werden kann, werden bidirektionale Cell-Stretcher überflüssig gemacht, da die Querkontraktion der Elastomerkammer durch Variation der Randstärke der Elastomerkammer frei einstellbar ist.
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Eine besonders vorteilhafte Verwendung sieht vor, dass der Randbereich des Elastomers in Zugrichtung des Cell-Stretchers mit nicht-elastomerhaltigen Materialien verstärkt ist.
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Weitere Vorteile der Vorrichtung bestehen darin, dass der Winkel der Ausrichtung von Zellen über die Mikrostrukturen genau bestimmbar ist, der Ausrichtungswinkel der Zellen in Abhängigkeit von der Querkontraktion in nachfolgenden Versuchen frei bestimmbar ist und die Querkontraktion an die Gegebenheiten des Zellverbands in situ angepasst werden kann.
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Zudem zeigt der Kammerboden an allen Stellen ein ähnliches und vor allem nachweisbares Verhalten während der Dehnung.
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Im Weiteren wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren näher beschrieben. Die angegebenen Maße und Materialien sind beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen.
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Es zeigen:
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1: Elastomer-Zellkammersystem
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2: Elastomer-Zellkammersystem mit zwei klammerartigen Verstärkungen
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3: Elastomer-Zellkammersystem mit vier klammerartigen Verstärkungen
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Erstes Ausführungsbeispiel:
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1 zeigt schematisch in Aufsicht und im Querschnitt das erfindungsgemäße Elastomer, welches als strukturiertes Zellkammersystem in Streckversuchen für Zellen eingesetzt wird.
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Das Elastomer 1 besteht chemisch aus einem vinylterminierten Polydimethylsiloxan als Grundsubstanz. Als Kreuzvernetzer wurde ein Methylhydrosiloxan-Dimethylsiloxan Copolymer eingesetzt. Während der Herstellung wurden zunächst die Grundsubstanz und der Kreuzvernetzer miteinander vermischt, entgast und anschließend in eine Negativform der Zellkammer gefüllt. Der Platinkatalysator wurde der Grundsubstanz beigemischt und vermittelte die Kreuzvernetzung bei 60°C über Nacht. Das Elastomer weist nach der Aushärtung eine Elastizität von etwa 50 kPa auf.
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Das Zellkammersystem 1 hat in erster Näherung eine quadratische Form. Die Kantenlänge beträgt 35 Millimeter. Jede der vier Ecken 6 ist verstärkt. Das heißt, dass die Randbereiche 8 und 4 jeweils eine Stärke von nur 5 Millimeter aufweisen, wohingegen die Ecken 6 halbkreisförmig und über den übrigen äußeren Rand 4, 8 hinausgehende, ohrenförmige runde Verstärkungen mit 10 Millimeter Durchmesser aufweisen. Die Ecken sind sowohl nach außen als nach innen abgerundet.
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Diese Maßnahmen bewirken vorteilhaft, dass die Ecken im Dehnungsexperiment vor den über die Befestigungsstifte (nicht dargestellt) des Stretchers in den Ausnehmungen 7 ausgeübten Zugkräften geschützt sind und nicht leicht ausreißen, bzw. beschädigt werden.
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In jeder der Ecken 6 ist eine durch das Elastomermaterial hindurchführende Ausnehmung 7. Die Ausnehmung 7 weist einen Durchmesser von 3 Millimeter auf und ist zentral in jeder der Ecken 6 angeordnet.
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Die Ausnehmungen 7 werden unmittelbar während der Kreuzvernetzung der Zellkammer 1 hergestellt. Die Grundsubstanz und das Copolymer werden in eine Negativform mit Stiften mit einem Durchmesser wie die Ausnehmungen 6 gegossen und ausgehärtet. Im Dehnungsexperiment wird die Kammer 1 wiederum mit ihren Ausnehmungen 7 auf Stifte aufgesetzt, die ihrem Durchmesser nach denjenigen bei der Kreuzvernetzung des Herstellungsverfahrens entsprechen. Daher haben die Ausnehmungen 7 im Experiment einen perfekten Formschluss und Sitz zum Cell-Stretcher und zu dessen Befestigungsstiften (nicht dargestellt). Dies bewirkt vorteilhaft eine exakte Übertragung der Dehnung auf den Kammerboden 3. Zusätzlich ist durch die abgerundeten Verstärkungen der Ecken 6 die Reißgefahr des Elastomers minimiert.
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Zudem sind die vier Ecken 6 auch in ihren inneren Randbereichen 5 abgerundet. Auch diese Maßnahme allein bewirkt vorteilhaft eine exakte Übertragung der angelegten Dehnung auf den Kammerboden. Zudem wird auch hierüber die Reißgefahr des Elastomers 1 weiter minimiert.
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In den Randbereichen 4, 6, 8 beträgt die Dicke des Elastomers einheitlich 5 Millimeter. In den sich gegenüberliegenden Randbereichen 4 bzw. 8 beträgt die Stärke (bzw. Tiefe) einheitlich 5 Millimeter, in den vier Ecken 6 hingegen 10 Millimeter.
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Anders als in den Randbereichen 4, 6, 8 weist der Bodenbereich 2, 3 eine wesentlich geringere Dicke von typisch 0,1–0,5 Millimeter auf. Der Boden weist den strukturierten zentralen Bereich 3 und einen zwischen diesem zentralen Bereich und den Randbereichen 4, 6, 8 angeordneten unstrukturierten Bereich 2 auf. Der zentrale Bereich 3 weist regelmäßig angeordnete Strukturen in Form von Erhebungen und Vertiefungen auf. Die Erhebungen und Vertiefungen weisen beispielhaft einen gleichmäßigen Abstand von 1,5 μm und einen Durchmesser von 2 μm zueinander auf. Die Tiefe der Strukturen liegt typischerweise in Abhängigkeit der Kammerelastizität im Bereich von 50 bis 500 nm. Diese Struktur dient im Dehnungsversuch für die auf der Struktur ausgesäten Zellen (nicht dargestellt) als ein Lineal bzw. Maßstab, mit dem überprüft wird, wie die angelegte Amplitude vom Cell-Stretcher auf den Kammerboden und damit auf die Zelle übertragen wird. Mit der Struktur 3 im zentralen Bereich des Bodens kann daher erstmalig der Unterschied zwischen der an die Elastomerkammer angelegten Dehnung und der tatsächlich an den Zellen ankommenden Dehnung exakt bestimmt werden.
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Zweites Ausführungsbeispiel:
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2 zeigt eine zur 1 identische Zellkammer 21 mit wiederum einer zentralen Ausnehmung 27 in jeder der vier Ecken 26. Das Elastomer als Kammer 21 ist im Gegensatz zu der der 1 auf den sich gegenüberliegenden Randbereichen 24 und auf den Ecken 26 mit insgesamt zwei klammerartigen Verstärkungen 29 ausgestattet. Die Verstärkungen 29 sind passgenau und formschlüssig auf den Randbereichen und auf die Ausnehmungen aufgesetzt. Die Klammern 29 bewirken vorteilhaft einen weiteren Schutz vor Beschädigungen der Ränder vor den einsetzenden Zugkräften, die durch den durch den dicken Pfeil dargestellt sind. Die Klammern 29 bestehen vorliegend aus eloxiertem Aluminium.
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Die Zugrichtung im Dehnexperiment ist in der 2 durch den dicken Pfeil in X-Richtung angegeben. Sofern die gegenüberliegenden Randbereiche 24 stärker, das heißt in X-Richtung stärker ausgeführt sind als die im rechten Winkel hierzu angeordneten Randbereiche 28, z. B. doppelt so stark, wird hierdurch die Stauchung in Y-Richtung erhöht und damit die Querkontraktion vergrößert. Dadurch wird das Verhältnis der Dehnung der Messkammer in X-Richtung zu ihrer Stauchung in Y-Richtung quer zur Zugrichtung durch die Variation der Stärke der Randbereiche 24:28 einstellbar. Hierdurch sind eine Vielzahl weiterer Ausführungsbeispiele denkbar.
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Drittes Ausführungsbeispiel:
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3 zeigt eine weitgehend identische Zellkammer 31 mit wiederum einer zentralen Ausnehmung in jeder der vier Ecken 36. Das Elastomer 31 ist im Gegensatz zu der der 1 und 2 lediglich unmittelbar auf den Ecken 36 mit insgesamt vier klammerartigen Verstärkungen 39 ausgestattet. Die Verstärkungen 39 sind passgenau und formschlüssig auf den Ecken 36 und auf die Ausnehmungen aufgesetzt. Die Klammern 39 bewirken vorteilhaft einen weiteren Schutz vor Beschädigungen der Ränder vor den einsetzenden Zugkräften, dargestellt durch den dicken Pfeil in X-Richtung. Zudem und über die Wirkung der Klammern 29 in 2 hinausgehend, verhindern die Klammern 39 eine Durchbiegung der gegenüberliegenden Randbereiche 38. Damit können die Randverstärkungen in 3 in unidirektionalen Stretchern zur Minimierung der Querkontraktion verwendet werden.
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Die Randverstärkungen wie in 3 können vorteilhaft auch in bidirektionalen Strecksystemen verwendet werden.
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Die Klammern 39 bestehen aus eloxiertem Aluminium. Dicke und Abmessungen richten sich nach dem verwendeten Kammerdesign. Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel beträgt die Materialdicke der Klammern 39 typischerweise 0,5–1,0 Millimeter. Die Formgebung folgt den Abmessungen der Elastomerkammer, bei einer Kammerdicke bzw. -höhe von 5 Millimeter beträgt die Eingrifftiefe der Klammer typischerweise 4,5 Millimeter.
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Die Klammern in den 2 und 3 verstärken besonders vorteilhaft die Übertragung der Dehnung auf den dünnen Elastomerboden. Sie sind formschlüssig im Elastomer angeordnet und verhindern dadurch die Durchbiegung der in Zugrichtung (dicker Pfeil) angeordneten Randbereiche 24, 34.
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Weitere Ausführungsbeispiele:
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Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Messkammern, wie in der 2 und der 3 gezeigt. Diese Ausführungsbeispiele werden ohne die Seitenwände 28, 38 hergestellt und in Cell-Stretchern eingesetzt. Bei einem frei hängenden Boden der Elastomerkammer (keine Randverstärkung 28, 38) erreicht man die maximale Querkontraktion.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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