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Die Erfindung betrifft das Messen mechanischer Eigenschaften eines biologischen Messobjekts. Ein solches Messen ist schwierig, da die meisten Gewebe sehr weich sind und außerdem aktiv ihre Eigenschaften ändern können.
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Gewebe ist ein mechanisch aktives System. Es kann sowohl außen anliegende Kräfte registrieren, wie auch selbst Kräfte aktiv erzeugen. Es werden also Verfahren und Instrumente benötigt, welche Kräfte sowohl messen wie auch erzeugen können. Gewebe sind häufig mikroskopisch klein. Die Kräfte liegen in einem Bereich zwischen Systemen, welche die Kräfte einzelner Moleküle und Zellen oder die von makroskopischen Gewebeproben messen können. Optische Methoden erfordern einen zu hohen Energieeintrag, um die erforderlichen Deformationskräfte zu erzeugen. Das Gewebe erwärmt sich in Folge dessen. Microplates und AFM (Atomic force microscopy) sind für lokale Einzelzellmessungen konzipiert und können i. A. keine Kräfte im oberen Mikronewton-Bereich erzeugen. Des Weiteren ist die Handhabung langwierig. Magnetische Mikropartikel erlauben nur sehr lokale Messungen, der Weg über aspirierte Gewebe führt zu einer starken lokalen Deformation und Scherung des Gewebes und erlaubt daher keine gemittelten Aussagen. Lediglich lokale Aussagen sind so sinnvoll. Klassische Zugmaschinen sind sehr makroskopisch und für Mikrogewebe nicht geeignet. Des Weiteren erlauben sie keine simultane mikroskopische Beobachtung.
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Nachteilig am Stand der Technik ist, dass mit diesen Instrumenten eine Messung von Gewebe nicht durchführbar oder nicht genau genug und reproduzierbar durchführbar ist. Ein weiterer Nachteil ist die erforderliche Größe des Gewebes, kleine Gewebestücke (< 5 mm) sind nicht mit Systemen des Stands der Technik testbar. Ein weiterer Nachteil ist die fehlende Messung der von den Zellen ausgehenden Rückstellkräfte. Ein weiterer Nachteil ist die Klemmung oder Klebung des Gewebes, welche zu Messartefakten führen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Messung mindestens einer mechanischen Eigenschaft eines biologischen Messobjekts (2), wobei die Vorrichtung (1) einen ersten Halter (10) und einen zweiten Halter (20) aufweist, an denen das biologische Messobjekt (2) anbringbar ist, und wobei die Vorrichtung (1) einen um eine geometrische Drehachse drehenden Rotor (30) aufweist, mit welchem der erste Halter (10) drehfest verbunden ist, und wobei über eine gemeinsame Drehung des ersten Halters (10) und des Rotors (30) das Messobjekt (2) in seiner Form veränderbar ist.
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Auf diese Weise können mechanische Eigenschaften eines biologischen Messobjektes mit einfacher Handhabung über die Anbringung an zwei Haltern und aufgrund des einfachen aber in seiner Anordnung insgesamt ortsfesten Aufbaus reproduzierbar gemessen werden. Durch die Halter werden unkontrollierte Bewegungen des biologischen Messobjekts, welches bevorzugt in einem Fluid schwimmt, verhindert, was z. B. für eine gleichzeitige mikroskopische Beobachtung sehr wichtig ist. Der mit einem Rotor drehfest verbundene Halter ermöglicht kleinste präzise Auslenkungen durch Drehbewegungen zur mechanischen Manipulation des Gewebes ohne Getriebespiel oder -reibung. Rückstellkräfte des Messobjekts wirken auf den Rotor zurück, so dass diese am Rotor messbar sind.
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Eine mechanische Eigenschaft ist z. B. die Ausdehnung des Gewebes bei konstanter Kraft oder die Kraft, welche das Gewebe einer durch die Halter verursachten Ausdehnung oder Torsion entgegensetzt, oder die Steifigkeit oder Viskoelastizität oder Plastizität des Gewebes.
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Das biologische Messobjekt ist bevorzugt mindestens eine Zelle, besonders bevorzugt ein Verbund mehrerer biologischer Zellen, ganz besonders bevorzugt ein (stationäres oder regenerierendes) Gewebe bestehend aus einer Vielzahl von Zellen. Es ist bevorzugt kleiner als 1 mm. Bevorzugt besteht es aus weniger als ca. 5000 Zellen, besonders bevorzugt weniger als ca. 2000 oder ca. 1500 Zellen. Z. B. besteht es aus ca. 1500 Zellen. Es befindet sich bevorzugt ex-vivo, d. h. es ist nicht Teil eines tierischen oder menschlichen lebenden Organismus. Es liegt bevorzugt in einem Fluid vor, besonders bevorzugt in einer Petrischale mit Fluid. Es ist bevorzugt in seinem längsten Ausmaß in Ruhelage kleiner als 5 cm, besonders bevorzugt kleiner als 5 mm, ganz besonders bevorzugt kleiner als 1 mm. Bevorzugt ist es größer oder gleich 0,01 mm, besonders bevorzugt größer oder gleich 0,1 mm, ganz besonders bevorzugt größer oder gleich 0,3 mm. Es ist bevorzugt ein mikroskopisch kleines Gewebe. Ein solches Gewebe ist kaum mit bloßem Auge handhabbar.
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Ein Halter weist bevorzugt eine längliche Form auf, bevorzugt zumindest teilweise, besonders bevorzugt komplett eine Stabform auf. Z. B. ist ein Halter ein Element aus der Menge oder weist ein Halter ein Element aus der Menge auf: Glasfaserstück, Drahtstück, Kunststoffstab, Metallstab, Holzstab. Bevorzugt weist der Halter zur Torsionsmessung einen Haken oder ein T-Stück oder eine T-Fläche auf, an welchen das Messobjekt anbringbar ist. Bevorzugt ist ein Bereich eines Halters vorgesehen, an dem das Messobjekt anbringbar ist, und ein weiterer Bereich, an dem der Halter mit dem Rotor (z. B. mit einer Spule oder mit einem Magneten) verbunden (z. B. mechanisch verbunden, wie angeklebt und/oder angelötet und/oder angeschraubt und/oder angeklippt) ist. Bevorzugt ist einer der Halter feststehend. Bevorzugt sind beide Halter beweglich. Zum Beispiel ist ein Halter über eine motorisierte Mikrometerschraube beweglich und der andere Halter über eine Spule, die um einen Magneten oder eine weitere Spule drehbar ist. Ein Halter weist bevorzugt eine Länge von höchstens 5 cm, besonders bevorzugt höchstens 2 cm, ganz besonders bevorzugt höchstens 0,5 cm auf. Der Durchmesser eines Halters beträgt bevorzugt höchstens 2 mm, besonders bevorzugt höchstens 0,5 mm, ganz besonders bevorzugt höchstens 0,1 mm. Z. B. beträgt der Durchmesser 70 μm.
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Das Messobjekt ist bevorzugt an die Halter anbringbar, indem die Halter durch ein gemeinsames Loch oder verschiedene Löcher des Messobjekts durchführbar sind. Das Messobjekt ist hierfür bevorzugt ringförmig seziert. Besonders bevorzugt weist ein (oder beide) Halter eine Fläche auf, auf welche sich Zellen des Messobjekts binden. Bevorzugt ist diese Fläche beschichtet, besonders bevorzugt biochemisch, chemisch und/oder physikalisch modifiziert. Zum Beispiel weist eine Beschichtung Collagen oder Fibronectin oder Epoxy oder eine oder mehrere Carboxylgruppe/n, welche an Amidgruppen der Zellen binden, auf.
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Ein Rotor ist bevorzugt als ein drehbar gelagertes Bauteil zu verstehen. Die geometrische Drehachse ist eine gedachte Gerade. Der Rotor ist bevorzugt an einem, bevorzugt an zwei Punkten drehbar gelagert. Er ist bevorzugt ein Magnet, besonders bevorzugt eine Spule, bevorzugt Miniaturspule, ganz besonders bevorzugt ein (Miniatur-)Rahmen, um den ein Draht als Spule gewickelt ist. Eine Spule oder ein (Miniatur-)Rahmen weist bevorzugt einen maximalen Durchmesser oder eine maximale Seitenlänge von höchstens 5 cm, bevorzugt höchstens 2 cm, besonders bevorzugt höchstens 0,5 cm auf. Bevorzugt weist die Spule eine Anzahl von Wicklungen von höchstens 10000, bevorzugt höchstens 100, besonders bevorzugt höchstens 10 auf. Der Draht der Spule weist bevorzugt einen Durchmesser von höchstens 1 mm, bevorzugt höchstens 0,5 mm, besonders bevorzugt höchstens 0,1 mm auf. Eine derart klein dimensionierte Spule ermöglicht die genaue Erzeugung und/oder Messung kleinster Kräfte und/oder Abstandsänderungen, da das System nur eine geringe Trägheit und Reibung aufweist, welche die Messung nicht signifikant verfälscht. Bevorzugt ist der Rotor um eine Achse drehbar gelagert, welche bevorzugt fest mit der Vorrichtung verbunden ist. Bevorzugt weist der Rotor eine Achse auf, welche drehbar (z. B. über mindestens ein angespitztes Ende, bevorzugt zwei angespitzte Enden der Achse oder ein oder zwei Diamantlager) an einem feststehenden Punkt der Vorrichtung drehbar gelagert ist. Bevorzugt weist die Vorrichtung zwei Rotoren auf und an jedem Rotor ist mindestens ein Halter drehfest verbunden.
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Mindestens einer der Halter ist bevorzugt drehfest mit einem Rotor verbunden, z. B. angeklebt und/oder angelötet und/oder angeschraubt und/oder angeklippt. An einem Rotor ist bevorzugt höchstens ein Halter angebunden. Besonders bevorzugt ist ein Halter integral mit dem Rotor ausgebildet (z. B. ein (Kunststoff)rahmen mit integralem Halter, oder z. B. ist ein Halter aus einem auslaufenden Drahtende einer Spule, die den Rotor darstellt, gebildet; das auslaufende Drahtende ist elektrisch an eine Steuerelektronik kontaktiert). Der Halter ist z. B. stabförmig und liegt in einer Rotationsebene des Rotors. Dies ist für eine Zug-/Druck-Manipulation des Gewebes vorteilhaft. In einer anderen Variante ist der Halter z. B. hakenförmig oder T-förmig und steht senkrecht auf einer Rotationsebene des Rotors, bevorzugt konzentrisch mit dem Rotor. Dies ist für eine Torsions- oder Scher-Manipulation des Gewebes vorteilhaft. Besonders bevorzugt wird eine Halterform für beide Messarten (Torsion, Zug-/Druck) verwendet, z. B. ein T-förmiger Halter, welcher einen Bereich aufweist, der in einer Drehebene liegt (für Zug-/Druck-Messung) und einen Bereich, welcher parallel oder konzentrisch mit der Drehachse ist (für Torsions-/Schermessung).
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Bevorzugt ist die gemeinsame Drehung des Rotors und des Halters mittels eines Drehmoments durchführbar.
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Dieses Drehmoment ist bestimmbar indem zum Beispiel der Strom und/oder die Spannung, mit welcher die Vorrichtung an vorgesehenen Kontakten beaufschlagt wird, bekannt und/oder messbar sind. Bevorzugt ist die einem Strom und/oder Spannungswert entsprechende Kraft aus einer Kennlinie und/oder einer Look-up-Tabelle ermittelbar. Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Speichereinrichtung auf, in welcher eine Kennlinie und/oder eine Look-up-Tabelle speicherbar ist. Der Maximalstrom, mittels welchem die Vorrichtung für die Erzeugung der Kraft beaufschlagt wird, beträgt bevorzugt 1 A, besonders bevorzugt 10 mA, ganz besonders bevorzugt 100 μA. Die erzeugbaren Kräfte sind bevorzugt kleiner gleich 100 mN, besonders bevorzugt kleiner gleich 1 mN, ganz besonders bevorzugt kleiner gleich 100 μN, noch bevorzugter kleiner gleich 10 nN.
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In seiner Form veränderbar bedeutet bevorzugt, dass mittels eines Halters eine Kraft oder ein Drehmoment auf das Messobjekt aufbringbar ist, so dass sich die Form ändert. Das Messobjekt ist bevorzugt mittels der Halter komprimierbar und/oder dehnbar bzw. streckbar und/oder verwindbar (z. B. im Sinne einer Torsion) und/oder scherbar. Bevorzugt weisen hierfür ein oder beide Halter flächige Elemente im Bereich auf, an dem das Messobjekt anbringbar ist. Auf diese Weise ist insbesondere Druck auf das Messobjekt gleichmäßig aufbringbar.
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Die Kraft oder das Drehmoment zur Manipulation des Messobjekts oder eine/ein ihr entgegengesetzte/s Kraft/Drehmoment resultiert bevorzugt aus einem Drehmoment des mit dem ersten Halter drehfest verbundenen Rotors, und das Drehmoment wird durch den Halter in diese Kraft oder das Drehmoment umgesetzt. Die Kraft (oder das Drehmoment) ist bevorzugt elektromechanisch erzeugbar, besonders bevorzugt durch Einleiten eines Stroms und/oder Anlegen einer Spannung an dafür vorgesehene Kontakte der Vorrichtung. Bevorzugt ist eine bestimmte konstante Kraft oder ein Moment einstellbar. Bevorzugt ist somit die Kraft oder das Moment, welche durch einen oder die Halter auf das Messobjekt einwirkt, konstant. Bevorzugt ist eine bestimmte Veränderung des Abstands einstellbar, und die Kraft oder das Moment ist durch eine Regelung auf den für den Abstand benötigten Wert regelbar.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist das Messobjekt (2) an den Haltern (10, 20) an mindestens einem Anbringungspunkt je Halter (10, 20) anbringbar und ein Abstand zwischen den Anbringungspunkten ist über die gemeinsame Drehung veränderbar.
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Bevorzugt ist der zweite Halter in derselben Drehebene (eine auf der Drehachse senkrecht liegende Ebene) angeordnet wie der erste Halter.
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Ein Abstand der Halter oder Abstand der Anbringungspunkte ist bevorzugt der bevorzugt kürzeste Abstand der Bereiche oder Punkte, an denen das Messobjekt anbringbar ist. Er ist bevorzugt über eine Drehung des Rotors veränderbar. Auf diese Weise ist eine rotatorische Bewegung in eine translatorische Bewegung umsetzbar, bzw. ein Drehmoment in eine Kraft. Dabei wird bevorzugt die Länge bzw. der Hebel des Halters berücksichtigt. Bevorzugt ist nur einer der Halter bei einer Drehung des einen Rotors bewegbar. Im Falle zweier Rotoren mit je einem Halter sind bevorzugt beide Halter über Drehungen bewegbar, so dass sich eine Abstandsänderung einstellt.
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Der Abstand oder ein Verdrehwinkel bei einer Verwindungsmessung ist bestimmbar, indem die Vorrichtung bevorzugt eine Abstands- oder Winkelmesseinrichtung aufweist. Bevorzugt weist diese Einrichtung einen oder mehrere Spiegel und einen Laser auf. Der/Die Spiegel ist/sind bevorzugt ausgerichtet, den Strahl des Lasers abzulenken, so dass eine Phasenverschiebung oder eine örtliche Verschiebung des abgelenkten Strahls in Abhängigkeit des Abstands oder des Verdrehwinkels auftritt, wobei die jeweilige Verschiebung bevorzugt mittels eines Photodetektors messbar ist. Besonders bevorzugt weist diese Einrichtung Kodierscheiben und/oder –räder auf, die magnetische und/oder kapazitive und/oder optische Kodierungen aufweisen. Zum Beispiel ist ein Spiegel an einer drehbar gelagerten Spule angebracht, an welcher ein Halter befestigt ist, und/oder an der Achse der Spule ist ein magnetisches Kodierrad angebracht.
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Bevorzugt ist durch die Vorrichtung eine/ein konstante/s Kraft/Moment einstellbar, so dass ein von einer mechanischen Eigenschaft des Messobjekts abhängiger, messbarer Abstand oder Verdrehwinkel resultiert. Bevorzugt ist ein konstanter Abstand oder Verdrehwinkel einstellbar (z. B. über eine Abstandsregelung mit dem Abstand als Regel- und der Kraft/dem Moment, bevorzugt dem Strom zur Erzeugung der Kraft/des Moments, als Stellgröße), und die/das diesem Abstand entsprechende Kraft/Moment ist mess- und/oder bestimmbar.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist der zweite Halter (20) auf der geometrischen Drehachse des Rotors (30) angeordnet und das Messobjekt (20) ist über die gemeinsame Drehung verwindbar.
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Auf diese Weise ist eine Torsionsbewegung des Messobjekts mittels eines Drehmoments durchführbar. Bevorzugt ist die Drehposition des Rotors bestimmbar, z. B. mittels eines Drehgebers. Auf diese Weise kann aus dem Maß der Verdrehung und dem dafür aufgewendeten Moment, oder dem Moment, welches gegen eine Verdrehung des zweiten Halters aufgewendet werden muss, eine mechanische Eigenschaft bestimmt werden.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Drehung des Rotors (30) mittels einer magnetischen Kraft erzeugbar.
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Auf diese Weise ist eine fast reibungsfreie (es liegt eine minimale Reibung am Aufhängepunkt der Spule oder des Magneten, welche einen Rotor darstellen, vor) Drehung bzw. ein hierfür notwendiges Drehmoment erzeugbar. Bevorzugt ist der Rotor bezüglich eines Stators gelagert. Bevorzugt weisen Rotor und Stator ein magnetisches Feld auf. Bevorzugt ist die Drehposition des Rotors aufgrund der Wechselwirkung der beiden Magnetfelder von Rotor und Stator abhängig von der Stärke der Magnetfelder. Bevorzugt ist die Stärke mindestens eines Magnetfelds, bevorzugt beider Magnetfelder steuer- und/oder regelbar. So ist z. B. durch Einstellen des Magnetfelds des Stators die Empfindlichkeit, bevorzugt die mittels dF/dl·L definierte (F: Kraft, I: Spulenstrom, L: Hebelarm) Empfindlichkeit der Vorrichtung einstellbar. Eine höhere Empfindlichkeit ist z. B. durch Erhöhung der Stärke des Magnetfelds des Stators einstellbar. Durch Einstellen des Magnetfelds des Rotors ist z. B. ein Drehmoment einstellbar.
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So ist zum Beispiel der Rotor eine drehbar gelagerte Spule und der Stator ein Permanentmagnet und/oder eine feststehende Spule. Alternativ ist der Rotor ein drehbar gelagerter Permanentmagnet, und der Stator eine Spule. Es ist auch denkbar, dass sowohl der Rotor als auch der Stator eine Spule aufweisen und/oder durch eine Spule gebildet sind.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung (1) eine Rückhaltevorrichtung (40) auf, mittels welcher mindestens einer der Halter (10, 20) in eine Ruhelage zurücktreibbar ist.
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Die Ruhelage ist bevorzugt eine Lage bzw. Nulllage, die der Halter und/oder der Rotor im unbelasteten Fall (d. h. z. B. die auf einen Halter wirkende, einstellbare Kraft ist Null oder in Stator und/oder Rotor wird kein Magnetfeld erzeugt) einnimmt. Die Rückhaltevorrichtung ist bevorzugt ein Federmechanismus. Sie enthält bevorzugt mindestens eine Spiralfeder und/oder mindestens einen Seilzug mit Zugfeder, wobei der Seilzug z. B. eine Schnur aufweist, deren eines Ende um den Rotor oder die Achse des Rotors gewickelt ist und deren anderes Ende über die Zugfeder an einem feststehenden Punkt der Vorrichtung fixiert ist. Zum Beispiel sind am Rotor an dessen beiden Achsenden Spiralfedern angeordnet, deren äußere Enden jeweils an einem feststehenden Punkt der Vorrichtung fixiert sind.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung (1) derart bemessen, dass gleichzeitig zum Betrieb der Vorrichtung eine mikroskopische Beobachtung des biologischen Messobjekts (2) durchführbar ist.
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Bevorzugt ist die gesamte Vorrichtung in eine Petrischale mit einem Durchmesser von weniger als 8 cm, bevorzugt 4 cm besonders bevorzugt 2 cm einsetzbar. Bevorzugt lässt sich zumindest der Bereich der Halter, an welchen das Messobjekt anbringbar ist, in eine derartige Petrischale einsetzen, besonders bevorzugt zumindest der eben genannte Bereich der Halter sowie ein Rotor und bevorzugt ein Stator. Bevorzugt sind die Halter einmal, zweimal oder mehrmals abgewinkelt und/oder gebogen und mit dem außerhalb der Petrischale angeordneten Teil der Vorrichtung verbunden. Bevorzugt ist die Vorrichtung, besonders bevorzugt zumindest der Bereich der Halter, an welchen das Messobjekt anbringbar ist, auf einem Mikroskopiertisch anordenbar. Geeignete Mikroskope sind z. B. Konfokal- und/oder (Epi-)Fluoreszenz- und/oder 2-Photonen- und/oder TIRF- und/oder Durchlichtmikroskope.
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Auf diese Weise ist das biologische Messobjekt kultivierbar, z. B. durch Schaffung steriler Bedingungen, Austausch des Mediums und/oder von CO2. Es ist während des Wachstums periodischen mechanischen Spannungen aussetzbar.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist einer der Halter (10, 20) oder bevorzugt sind beide Halter (10, 20) stabförmig und bevorzugt durch eine bevorzugt gemeinsame Öffnung des biologischen Messobjekts (2) führbar.
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Das biologische Messobjekt ist bevorzugt ringförmig seziert. Auf diese Weise ist ein Messobjekt in einfacher Weise auf die Halter ziehbar und/oder spannbar. Somit vermeidet man Artefakte durch biochemisch, chemisch oder physikalisch modifizierte Oberflächen und eine extrem starke Scherung der angebundenen Zellen, welche hierdurch beschädigt werden können. Es wird das Problem vermieden, dass bei nicht gleichmäßiger Scherung auch die resultierende Dehnung nicht mehr gleichförmig über das Gewebe verteilt ist. Die Messungen wären dann starken Variationen unterworfen. Artefakte durch die Befestigung und die Konzentration des Spannungsfeldes in Nähe der Gewebeaufhängung sind auf diese Weise minimierbar. Bevorzugt weisen die Halter eine schmale oder längliche Spitze zur Aufnahme des Messobjekts auf.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung zusätzlich einen Manipulator (50) auf, mit welchem einer der Halter (10, 20) verbunden ist, der bevorzugt nicht mit dem Rotor verbunden ist, und mittels welchem der mit dem Manipulator (50) verbundene Halter (10, 20) in eine Offsetlage verschiebbar ist.
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Auf diese Weise ist z. B. die Nulllage bzw. Ruhelage verschiebbar. Bevorzugt ist ein Halter mit dem Rotor verbunden und der andere Halter mit dem Manipulator. Der Manipulator weist bevorzugt ein Lineargetriebe auf, besonders bevorzugt eine Mikrometerschraube. Besonders bevorzugt ist der Manipulator mittels eines (Schritt- oder DC-)Motors ansteuerbar. Der Halter ist an den Manipulator z. B. angeklebt und/oder angelötet und/oder angeschraubt und/oder angeklippt. Der Manipulator ist bevorzugt mit einem feststehenden Punkt der Vorrichtung verbunden.
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Außerdem wird die Aufgabe insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Messung mindestens einer mechanischen Eigenschaft eines biologischen Messobjekts (2), enthaltend die Schritte:
- – Anbringen des biologischen Messobjekts (2) an einem ersten Halter (10) und einem zweiten Halter (20) an je mindestens einem Anbringungspunkt;
- – Verändern eines Abstands der Anbringungspunkte und/oder einer zueinander relativen Orientierung der Anbringungspunkte durch Bewegen mindestens eines der Halter (10, 20), wobei ein Drehmoment eines Rotors (30) um eine geometrische Drehachse erzeugt wird und der erste Halter (10) mit dem Rotor (30) drehfest verbunden ist;
- – Bestimmen des Drehmoments und/oder der Veränderung des Abstands der Anbringungspunkte und/oder der zueinander relativen Orientierung der Anbringungspunkte.
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Anhand der im zuletzt genannten Schritt bestimmten Größen wird bevorzugt mindestens eine mechanische Eigenschaft berechnet.
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Das Verfahren greift bevorzugt auf Vorrichtungsmerkmale und deren Ausgestaltungen zurück, und wendet diese entsprechend an. Genauso sind Verfahrensschritte und -merkmale als entsprechende Vorrichtungsmerkmale anwendbar.
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Das Anbringen des biologischen Messobjekts erfolgt bevorzugt durch ein Aufspannen und/oder Aufziehen des bevorzugt ringförmigen Messobjekts an die Halter. Es ist auch denkbar, das Messobjekt über Anbindung der Zellen des Messobjekts an die bevorzugt beschichteten Flächen der Halter anzubringen. Bevorzugt wird das Messobjekt (biochemisch) an die Halter geklebt.
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Das Verändern eines Abstands der Anbringungspunkte (insbesondere im Fall einer Zug-/Druckmessung) und/oder einer zueinander relativen Orientierung der Anbringungspunkte (insbesondere im Fall der Torsionsmessung) erfolgt bevorzugt durch Erzeugen einer Kraft und/oder eines Drehmoments mittels Beaufschlagung der Vorrichtung mit Strom und/oder einer Spannung an dafür vorgesehenen Kontakten. Bevorzugt wird mindestens einer der Halter ausgelenkt. Zum Beispiel wird ein Halter mittels eines Rotors ausgelenkt und/oder ein anderer Halter wird mittels eines Manipulators ausgelenkt bzw. verschoben. Bevorzugt wird die auslenkende Kraft bzw. das auslenkende Drehmoment, welches auf einen Halter wirkt, konstant gehalten (z. B. wird der Strom durch den Rotor konstant gehalten, z. B. geregelt) während der andere Halter ausgelenkt wird. Bevorzugt wird ein bestimmter Abstand als Regelgröße geregelt und aus der dafür benötigten Stellgröße die benötigte Kraft berechnet.
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Das Bestimmen des Drehmoments erfolgt bevorzugt mittels Messen und/oder Aufzeichnen des Stroms, welcher für die Erzeugung der Kraft oder des Drehmoments nötig ist. Z. B. wird ein Spulenstrom gemessen, z. B. der Spulenstrom eines Rotors, an dem ein Halter befestigt ist. Bevorzugt wird die Kraft bestimmt, welche das Drehmoment über den drehfest angebrachten Halter auf das Gewebe ausübt, z. B. durch Umrechnung mittels des bekannten Hebels.
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Das Bestimmen der Abstandsänderung erfolgt bevorzugt mittels einer Abstandsmesseinrichtung. Hierbei wird z. B. ein Laserstrahl an einem Spiegel in Abhängigkeit des Abstands abgelenkt. Die Orientierungsänderung wird bevorzugt mittels Bestimmung des Drehwinkels des Rotors, bevorzugt gegenüber der Ruhelage, oder, falls der zweite Halter verdreht wurde, anhand dessen Verdrehung durchgeführt.
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Die Drehung wird bevorzugt mittels einer elektromechanischen Umwandlung von elektrischem Strom und/oder Spannung in ein Drehmoment erzeugt. Das Drehmoment wird über den Halter in eine Kraft umgewandelt.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird das Drehmoment mittels Steuerns und/oder Regelns einer magnetischen Kraft erzeugt.
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Bevorzugt wird hierfür die Stärke eines oder zweier Magnetfelder gesteuert und/oder geregelt, besonders bevorzugt die Stromstärke zur Erzeugung eines oder zweier Magnetfelder. Bevorzugt wird das Magnetfeld eines Rotors (drehbar gelagerte Spule, Rahmen mit Spule) und/oder eines Stators (feststehende Spule) geregelt. Bevorzugt wird ein bevorzugt konstanter Abstand der Halter geregelt und die dafür benötigte Kraft wird bestimmt (z. B. aus dem benötigten Spulenstrom).
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird mindestens einer der Halter (10, 20) mittels einer Rückhaltevorrichtung (40) in eine Ruhelage zurückgetrieben.
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Bevorzugt wird eine Kalibrierung durchgeführt. Diese basiert auf den bekannten Parametern der Rückhaltevorrichtung (z. B. deren Federkonstante, z. B. im Fall einer oder mehrerer Spiralfedern). Bevorzugt wird ohne ein Messobjekt der Abstand der Halter, bevorzugt intervallweise, verändert und Stellgröße sowie resultierender Abstand aufgezeichnet (z. B. in eine Look-up-Tabelle). Auf der Basis der Verschiebung und der bekannten Parameter der Rückhaltevorrichtung wird die Kraft für Wertepaare der Auslenkung und der entsprechenden Stellgröße berechnet und auch in die Look-up-Tabelle geschrieben.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird gleichzeitig zum Betrieb der Vorrichtung (1) eine mikroskopische Beobachtung des biologischen Messobjekts (2) durchgeführt.
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Z. B. wird eine Konfokal- und/oder (Epi-)Fluoreszenz- und/oder 2-IPhotonen- und/oder TIRF- und/oder Durchlichtmikroskope durchgeführt. Bevorzugt wird das biologische Messobjekt kultiviert, z. B. durch Schaffung steriler Bedingungen, Austausch des Mediums und/oder von CO2. Bevorzugt wird die mindestens eine mechanische Eigenschaft des biologischen Messobjekts während des Wachstums des Messobjekts durchgeführt, z. B. durch periodisches Verändern des Abstands der Halter.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren ist einer der Halter (10, 20) stabförmig, bevorzugt sind beide Halter (10, 20) stabförmig, und bevorzugt wird dieser Halter (10, 20), weiter bevorzugt werden diese Halter (10, 20) durch eine bevorzugt gemeinsame Öffnung des biologischen Messobjekts (2) für das Anbringen des biologischen Messobjekts (2) geführt.
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Das Messobjekt wird bevorzugt durch ringförmige Sektion erhalten und bevorzugt auf zwei Mikrofasern aufgespannt. Es weist bevorzugt die Form eines Rings auf. Bevorzugt weißt der Halter einen Anbringungsbereich für das Messobjekt auf, der breiter ist als die Tiefe des Messobjektrings – d. h. die Scheibendicke des ringförmig sezierten Gewebes. Bevorzugt sind die Halter eingerichtet, das Messobjekt durch ein gemeinsames Loch des Messobjekts aufzunehmen. Auf diese Weise wird ein breites Anliegen des Messobjekts an den Haltern erreicht und ungewollte Scherkräfte werden vermindert.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren ist zusätzlich der Schritt enthalten: Verschieben eines der Halter (10, 20) in eine Offsetlage mittels eines Manipulators (50).
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Bevorzugt wird derjenige Halter mittels des Manipulators verschoben, der nicht mit einem Rotor verbunden ist. Bevorzugt wird mittels Verschiebens eines der Halter in verschiedene Offsetlagen die Reaktion (z. B. die entgegengebrachte Kraft) des Gewebes unter verschiedenen mechanischen Spannungen gemessen.
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Die Erfindung soll nun anhand von Zeichnungen beispielhaft weiter veranschaulicht werden. Hierbei zeigen:
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1 eine Übersicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine Übersicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung,
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3 eine Übersicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung,
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4 eine Übersicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche eine drehbare Spule und einen feststehenden Magneten aufweist,
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5 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche teilweise in einer Petrischale angeordnet ist.
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1 zeigt eine Übersicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Ein erster Halter 10 und ein zweiter Halter 20 sind in einem Abstand zueinander angeordnet. Sie sind eingerichtet, ein biologisches Messobjekt 2 zu halten. Der Abstand der Halter 10, 20 zueinander ist mittels einer Drehung des Rotors 30 veränderbar. Der Halter 10 ist mit dem Rotor 30 drehfest verbunden. Hierdurch ist eine Kraft, ausgehend von einem Moment des Rotors 30 auf das biologische Messobjekt (Kompression oder Zug) aufbringbar. Der Abstand der Halter 10, 20 zueinander ist außerdem bestimmbar. Zum Beispiel ist der Abstand messbar oder er ist über den Drehwinkel des Rotors 30, welcher messbar ist, und die Länge des Halters 10 bestimmbar.
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Im Betrieb der Erfindung werden die Halter 10, 20 durch Aufbringen einer Kraft auf mindestens einen der Halter 10, 20 bewegt und es wird eine Kraft auf das biologische Messobjekt 2 aufgebracht. Der Abstand und/oder die Abstandsänderung sowie die aufgebrachte Kraft werden gemessen. Zur Abstandsänderung und/oder zur Messung der Kraft wird ein Moment auf den Rotor 30 aufgebracht, welches sich über den Halter 10 auf das Messobjekt 2 auswirkt. Hieraus wird mindestens eine mechanische Eigenschaft des biologischen Messobjekts 2 bestimmt. Es werden Messungen von Ausdehnung bei konstanter Kraft oder konstanter Dehnung bei variabler Kraft unabhängig voneinander in beliebigen Kombinationen durchgeführt. Durch die Ansteuerung, bzw. die Programmierung der Ansteuerung wird eine beliebige funktionale Abhängigkeit der Auslenkung als Funktion der Kraft oder der Reaktion des Gewebes oder der Zellen vorgesehen.
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Auf diese Weise ist mit einfachen aber effektiven Mitteln eine Messvorrichtung entwickelt worden, welche eine präzise und eine reproduzierbare Messung mindestens einer mechanischen Eigenschaft eines biologischen Messobjekts ermöglicht.
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2 zeigt eine Übersicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung. Der zweite Halter 20 ist auf der geometrischen Drehachse angeordnet. Die Halter sind entsprechend ausgeformt, um das Gewebe aufnehmen zu können, hier sind sie T-förmig.
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Im Betrieb der Vorrichtung wird der Rotor 30 mittels Erzeugens eines Moments auf den Rotor 30 gedreht und somit das Gewebe verwunden. Alternativ wird der Halter 20 verdreht und Halter 10 wird durch Aufbringen eines Moments auf den Rotor 30 in einer konstanten Lage gehalten. Aus dem Verdrehwinkel des Halters 10 oder des Halters 20 und dem Wert des erzeugten Moments wird ein mechanischer Parameter bestimmt. Der Wert des Moments wird zum Beispiel anhand des für das Moment benötigten elektrischen Stroms bestimmt.
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Auf diese Weise sind Torsionsmessungen des Messobjekts durchführbar.
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3 zeigt eine Übersicht über eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung. Es ist gezeigt, dass eine Vorrichtung sowohl für Zug-/Druckmessungen des Gewebes als auch für Torsionsmessungen eingerichtet sein kann. Gepunktet dargestellt ist ein weiterer zweiter Halter 20 oder der zweite Halter 20 in einer verschobenen Lage gegenüber einer Lage, in welcher eine Torsionsmessung durchgeführt wird. In dieser verschobenen Lage ist ein Gewebe anbringbar und eine Zug-/Druckmessung ist durchführbar. Dies ist z. B. mittels einer T-förmigen Ausgestaltung des Halters 10 oder zusätzlich 20 realisierbar.
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4 zeigt eine Übersicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, welche eine drehbare Spule und einen feststehenden Magneten aufweist. Ein erster Halter 10, z. B. eine dünne Glasfaser mit 70 μm Durchmesser, ist an einen drehbar aufgehängten Rotor 30, hier eine Spule 30, fest angebracht. Diese Spule 30 wird im unbelasteten Fall durch Spiralfedern 40 in die Nulllage zurückgetrieben. Die Spiralfedern 40 sind in diesem Beispiel Teil der Stromleitung zwischen Spule 30 und Anschlusskontakten (schwarze dicke Punkte). Die Spule 30 ist auf einen Rahmen aufgewickelt, welcher sich frei um einen feststehenden Stator 60, welcher durch einen Permanentmagneten gebildet ist, drehen kann. Der Magnet kann ebenfalls eine Spule sein. Das biologische Messobjekt 2 ist ein Gewebe. Der zweite Halter 20 ist an einem Manipulator 50 angebracht.
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Im Betrieb wird Strom durch die Spule 30 über Anschlussdrähte geleitet (gezeigt sind Anschlussdrähte die an den zwei Kontakten angebracht sind). Der Strom durch die Spule 30 beträgt typischerweise maximal 100 μA. Dabei treten Kräfte auf, welche die Faser verschieben. Die dadurch erzeugten Kräfte liegen im Bereich 10 nN–100 μN. Über das Magnetfeld des feststehenden Systems wird die Empfindlichkeit bestimmt, welche nur durch die Qualität der Aufhängung und den durch die Flüssigkeit, in denen das Gewebe 2 liegt, bedingten Fluktuationen beschränkt ist. Die Rotation der Spule 30 wird auf unterschiedliche Weise nachgewiesen: Durch einen an die Spule 30 angebrachten Miniaturspiegel (nicht gezeigt), welcher einen Laserstrahl ablenkt oder durch ein magnetisches oder optisches Kodierrad. Die Kalibrierung dieses Systems erfolgt mit Hilfe von kleinsten Drahtgewichten. Das komplette System ist nicht größer als ein Petrischälchen mit 40 mm Durchmesser und passt auf zahlreiche Mikroskope. Konfokal-, Fluoreszenz und andere Mikroskopiearten erlauben hierbei, fluoreszenzmarkierte Kompartimente der Zellen zu verfolgen.
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Wenn das Gewebe 2 gedehnt wird, ist ringförmig seziertes Gewebe günstig, welches auf die bewegliche Faser 10 sowie eine feste Faser 20 gezogen wird. Über einen zusätzlichen Manipulator 50, z. B. eine Mikrometerschraube, die optional motorisiert ist, wird zusätzlich ein Distanzoffset eingestellt.
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Wenn das Gewebe 2 komprimiert wird, werden die Fasern mit flächigen Trägern versehen oder dadurch ersetzt. Auf diese Weise wird über die Flächen ein konstanter Druck auf das Gewebe 2 aufgebracht.
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Weiche Objekte, wie Zellen oder Gewebe werden z. B. auf zwei Arten stimuliert: (A) Durch Zug um einen festen Abstand. Hierbei wird die Kraft mittels des geregelten Spulenstroms gemessen, welcher so gesteuert wird, dass der Abstand konstant bleibt. (B) Durch Veränderung des Distanzoffsets mittels motorisierter Mikrometerschraube, sodass die durch die Spule 30 gemessene Kraft konstant bleibt. Hierbei kann der Spulenstrom konstant bleiben. Weiterhin werden Mischformen angewendet. Es wird auch die Response des Gewebes entlang beliebiger Pfade durch das Spannungs-Dehnungs-Diagramm gemessen.
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5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, welche teilweise in einer Petrischale 90 angeordnet ist. Der Rotor 30, welcher eine rotierende Spule ist, und der feststehende Stator 60, bestehend aus einem Permanentmagnet, sind an einer Elektronikplatine 80 aufgehängt. Rotor 30 und Stator 60 sind konzentrisch an einer Achse aufgehängt, die an einer Achsaufhängung 70 fest mit der Elektronikplatine 80 verbunden ist. Der Rotor 30 ist drehbar, angedeutet durch einen Doppelpfeil, an dieser Achse aufgehängt.
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Im Betrieb der Erfindung wird durch Bewegungen (angedeutet durch Doppelpfeile) der Halter 10 und 20 mindestens eine mechanische Eigenschaft des Messobjekts 2 gemessen. In der Mitte durch die Petrischale 90 hindurch wird das Gewebe 2 durch inverse Mikroskopie beobachtet. Ein Mikromotor 50 führt einen Distanzoffset durch. Dieser Mikromotor 50 wird auch dazu verwendet, die Ausdehnung des Gewebes 2 an eine konstante Kraft anzupassen.
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Mit dieser Erfindung ist eine Messvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren geschaffen worden, das eine einfache Handhabung und eine präzise und reproduzierbare Messung von biologischen Messobjekten, insbesondere Geweben, insbesondere regenerierenden Geweben ermöglicht. Durch die Verwendung zweier Halter wird das biologische Messobjekt an einer Stelle gehalten und es bewegt sich nicht mit dem Fluid, in dem es eingebettet ist. Die Auslenkung eines Halters mittels eines Rotors erlaubt eine einfach Ansteuerung des Rotors, der z. B. auch mittels eines Schrittmotors auslenkbar ist. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Auslenkung mittels eines Magnetfelds und eines Stators. Eine stromdurchflossene Miniaturspule erfährt eine Kraft in Gegenwart eines Permanent- oder Elektromagneten. Die Spule ist drehbar aufgehängt und bevorzugt sorgt die Einrichtung einer rücktreibenden Kraft für eine Ruhelage. Somit kann man sehr kleine Kräfte durch die Messung der Ströme messen und gleichzeitig den Arbeitsbereich wählen. Die Kräfte, die von stationärem oder regenerierendem Gewebe ausgehen, können so durch Messung der Auslenkung gemessen werden. Durch aktive Rückkopplung können Kräfte bei konstanter Ausdehnung oder Ausdehnungen bei konstanter Kraft gemessen werden. Z. B. wird der durch die Spule fließende Strom dynamisch eingestellt, so dass die Streckung konstant bleibt (z. B. mittels einer Regelung), auch wenn sich das Gewebe entspannt oder weiter spannt. Anstelle der Distanz wird dann der sich ändernde Spulenstrom gemessen.
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Auf diese Weise ist durch den für eine Auslenkung notwendigen Strom auch eine direkte Rückmeldung über die Auslenkungskraft vorhanden. Ein weiterer Manipulator, welcher den anderen Halter verschieben kann, ermöglicht eine breitere Anwendung der Messvorrichtung. Die Rückstellkraft durch z. B. Spiralfedern erlaubt eine präzise Nullpunktfestlegung. Durch eine reibungsarme Aufhängung des Rotors und der geringen Gesamtmasse des Systems, insbesondere der bewegbaren Elemente, ist eine präzise Messung kleinster Kräfte und Auslenkungen möglich. Nicht zuletzt durch die aufgrund der Dimensionierung und Ausgestaltung (z. B. abgewinkelte Halter) der Vorrichtung gegebene Möglichkeit, gleichzeitig zu einer Manipulation des Messobjekts dieses mittels eines Mikroskops zu untersuchen, ist diese Erfindung ein ausgesprochen wertvoller Beitrag zum Stand der Technik.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Biologisches Messobjekt
- 10
- erster Halter
- 20
- zweiter Halter
- 30
- Rotor
- 40
- Rückhalteeinrichtung
- 50
- Manipulator
- 60
- Stator
- 70
- Achsaufhängung
- 80
- Elektronikplatine
- 90
- Petrischale
