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Im Rahmen dieser Abschlussarbeit wurde ein Prüfstand zur Messung der Wasserstoffpermeabilität entwickelt und validiert, um die Eignung von Polymeren und neuartigen Verbundwerkstoffen für Wasserstoffanwendungen zu beurteilen. Die mit dem Prüfstand erzielten Ergebnisse zeigen, dass die Permeabilität von Polyamid 6 (PA6) einen deutlichen Arrhenius-Zusammenhang in Bezug auf die Temperatur aufweist und vom Druck unabhängig ist. Weiterhin zeigt der Diffusionsvergleich von Helium, Wasserstoff und Deuterium, dass Helium schneller diffundiert als die zweiatomigen Moleküle H2 und D2, wobei Wasserstoff eine höhere Diffusionsrate als Deuterium aufweist. Mit Diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) beschichtete Polymerproben zeigen eine geringere Heliumpermeabilität im Vergleich zu unbeschichteten Proben, mit einem Reduktionsfaktor von 8,5 für Polyetheretherketon (PEEK) und 2,4 für Polyamid 6. Referenzmessungen an kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) zeigen eine um den Faktor 10 geringere Permeabilität im Vergleich zu Polyamid 6. Thermoschocks und schnelle Dekompression verursachen jedoch Defekte, die die Permeabilität erhöhen. Bei einer thermogeschockten Probe erhöht sich die Heliumpermeabilität nahezu um eine Größenordnung, während sie bei einer 2 mm dicken Probe aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff nach schneller Dekompression in einer Wasserstoffatmosphäre um den Faktor 240 ansteigt.

Diese Arbeit untersucht die biomechanischen Unterschiede im Zusammenhang mit dem Countermovement Jump (CMJ) unter dem Einfluss von externem Fokus durch simulierte Kopfbälle aus zwei verschiedenen Einwurfpositionen (rechts und links vom Torpfosten). Der externe Fokus wird durch Extended Reality (XR) erzeugt. Das XR-Programm ist ein fußballspezifisches Szenario, in dem Kopfbälle aus zwei verschiedenen Positionen eingeworfen werden. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die 1. Hypothese, die untersuchte, ob sich biomechanische Parameter bei Einwürfen von unterschiedlichen Positionen signifikant unterscheiden, nicht bestätigt werden konnte. Die Analyse der Daten ergab keine signifikanten Unterschiede zwischen den Einwurfpositionen rechts (EWR) und links (EWL), was darauf hinweist, dass die Richtung des Einwurfs keinen maßgeblichen Einfluss auf die biomechanischen Parameter hat. Diese Erkenntnis ist positiv für die Anwendung von RTS-Tests in XR-Umgebungen, weil der externe Fokus keinen signifikanten Einfluss auf das Bewegungsmuster hat und somit potenzielle Verzerrungen in den Testergebnissen minimiert werden können. Die 2. Hypothese, die die Beinsymmetrie mittels des Limb-Symmetrie-Index (LSI) untersuchte, zeigt teilweise signifikante Unterschiede. Die Analyse ergab signifikante Unterschiede bei drei Parametern, zwei aus der exzentrischen Absprungphase und einem aus der Landungsphase. Besonders in der exzentrischen Phase konnte eine Tendenz zur höheren Belastung des rechten Beins (meistens das dominante Bein) bei der EWR festgestellt werden. Diese Beobachtungen weisen auf eine mögliche asymmetrische Belastung hin, insbesondere bei Testpersonen, die tendenziell ihr dominantes Bein bevorzugen. Diese Unterschiede konnten jedoch nicht ausschließlich auf die Einwurfposition zurückgeführt werden. Die Limitationen der Studie umfassen unter anderem die zeitliche Dauer der Tests, die zu nachlassender Konzentration der Probanden und Probandinnen führen kann, sowie eine ungleiche Anzahl von Versuchen bei den Einwurfpositionen. Zukünftige Untersuchungen sollten auf eine gleichmäßige Verteilung der Versuche achten und könnten von der Untersuchung zusätzlicher Parameter, wie dem Knievalguswinkel und der Hüftflexion, profitieren. Diese Parameter sind besonders relevant für die Analyse von Verletzungsrisiken und könnten durch die Messungen zum Zeitpunkt der maximalen Auslenkung bei der Landung präziser bewertet werden. Zusammenfassend zeigt die Arbeit, dass es keine signifikanten Unterschiede zwischen den Einwurfpositionen für die meisten untersuchten Parameter gibt, jedoch interessante Tendenzen in der Beinsymmetrie bei der exzentrischen Phase aufgezeigt wurden. Zukünftige Studien sollten die zeitliche Entwicklung und weitere biomechanische Parameter, wie Knieflexion und Hüftflexion, sowie andere risikobehaftete Bewegungsmuster, wie abrupte Richtungswechsel und Landungen, detaillierter untersuchen.

A novel, unsupervised, artificial intelligence system is presented, whose input signals and trainable weights consist of complex or hypercomplex values. The system uses the effect given by the complex multiplication that the multiplicand is not only scaled but also rotated. The more similar an input signal and the reference signal are, the more likely the input signal belongs to the corresponding class. The data assigned to a class during training is stored on a generic layer as well as on a layer extracting special features of the signal. As a result, the same cluster can hold a general description and the details of the signal. This property is vital for assigning a signal to an existing or a new class. To ensure that only valid new classes are opened, the system determines the variances by comparing each input signal component with the weights and adaptively adjusts its activation and threshold functions for an optimal classification decision. The presented system knows at any time all boundaries of its clusters. Experimentally, it is demonstrated that the system is able to cluster the data of multiple classes autonomously, fast, and with high accuracy.

Die Langlebigkeit medizinischer Produkte wie Implantate zu beweisen ist notwendig und ein Teil von zahlreichen Nachweisen. Diese müssen erbracht werden, um die Sicherheit des Produkts versichern zu können und um eine Zulassung zu erhalten. Diese Zulassung wird benötigt, um das medizinische Produkt letztendlich verkaufen zu dürfen. Da es ein kosten- und zeitintensiver Prozess ist, die Langlebigkeit nachzuweisen, streben Unternehmen wie Straumann Group an, die dafür nötigen mechanischen Tests zukünftig durch Simulationen ersetzen zu können. Um jedoch mechanische Test durch Simulation ersetzten zu können, muss zuvor deren Glaubwürdigkeit nachgewiesen werden. Dies gelingt anhand einer ordnungsgemäßen Validierung der Finite-Elemente-Analyse durch experimentelle Tests. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist, anhand der dreidimensionalen digitalen Bildkorrelation (3D-DIC) Methode, Simulationen von Zahnimplantat-Systemen zu validieren und diese Methode zu bewerten. 3D-DIC ist eine direkte Messmethode, die es ermöglicht kleinste Verformungen von Oberflächen zu messen und diese anschließend mit den Ergebnissen der Simulationen der FEA zu vergleichen, um deren Glaubwürdigkeit zu überprüfen. Hierzu wurden Verifizierungs- und Validierungs- (V&V) Aktivitäten durchgeführt, die sich an den Standard der amerikanischen Gesellschaft der mechanischen Ingenieure (ASME) orientieren. Zur Validierung der Simulationen anhand der ASME V&V 40-2018 Standards, wurden zwei Implantat Systeme (BLX und BLT), welche unterschiedlich modifiziert wurden, experimentell getestet. Das BLX Modell und die unterschiedlichen Ausführungen wurde als Case A1, Case A2 und A3 bezeichnet. Charakterisiert sind diese durch die Wandstärken 0,2mm, 0,3 mm und 0,4 mm. Das BLT Modell und die unterschiedlichen Ausführungen wurden als Case B1, Case B2 und B3 bezeichnet mit den Wandstärken 0,2mm, 0,25 mm und 0,3 mm. Für die experimentelle Messung mit dem 3D-DIC Kamerasystem wurden die Implantat-Dummys weiß grundiert um anschließend mit schwarzer Farbe eine einzigartige Musterung zu erzeugen. Aufgetragen wurde die schwarz-weiße Musterung mit einer hochwertigen Airbrush Pistole. Um die Verformungen messen zu können, wurden unterschiedliche Nuten nahe der oberen Kante des Implantats angebracht. Pro Implantat Linie wurde die Verformungen von drei unterschiedlichen Ausführungen mit je 15 Fällen gemessen. Die Schraubenvorspannung wurde jedoch nur an zwei der drei Ausführungen verifiziert, weshalb jeweils nur zwei Ausführungen genutzt wurden, um die passenden Simulationen zu validieren. Da die unterschiedlichen Fälle durch die Tiefe der Nut charakterisiert wurden, dienten die 45 Messungen lediglich als Validierung des Trends, das mit abnehmender Wandstärke die Verformungen größer werden. Zunächst wurde die Schraubenvorspannungen durch experimentelle Testungen verifiziert und anschließend die unterschiedlichen Modelle experimentell getestet. Die gemessenen Verformungen innerhalb der Nut wurden durch die Aufbringung eines Drehmoments (35 Ncm) erzeugt. Anschließend wurden diese mit den Werten der Simulationen verglichen. Die gemessenen Unterschiede waren alle signifikant. Die mit der 3D-DIC Methode gemessenen Verformungen waren alle signifikant höher als die der Voraussagungen der Simulationen. Die signifikanten Unterschiede zwischen den Simulationen und den experimentellen Tests können auf nicht berücksichtigte Modelannahmen der Simulationen zurückzuführen sein, wie beispielsweise anisotrope Materialeigenschaften und das Fehlen einer Sensitivitätsanalyse. Nichtsdestotrotz war ein Trend von höherer Dehnung bei geringer werdender Wandstärke zu erkennen und auch die Lokalisation der Maximalwerte, der 3D-DIC-Messungen mit dem FEA-Simulationsergebnissen, stimmten überein. Somit lässt sich sagen, dass sich die 3D-DIC Methode für die Validierung von FEA-Simulationen eignet, es jedoch Empfehlungen zu Verbesserungen der angewandten Methode gibt welche abschliessend diskutiert werden. Schlussendlich werden noch Empfehlungen für weiter Forschungen ausgesprochen, welche anhand der ermittelten Ergebnisse sinnvoll sein könnten.

Pancreatitis is a global health challenge, affecting nearly 9 million people annually and resulting in more than 100,000 deaths per year. The disease, which manifests in acute and chronic forms, can be triggered and influenced by factors such as genetic factors, alcohol consumption, trauma or gallstones. Genetic studies have demonstrated the central role of trypsin in the development of pancreatitis, with risk increasing mutations in cationic trypsinogen (PRSS-1) and trypsin inhibitors (SPINK1 and PST1). The disease is initiated by the activation of trypsinogen by the lysosomal protease cathepsin b to trypsin inside the acinar cells, as shown in studies in cathepsin b knockout mice. Current treatment methods of pancreatitis, which has a mortality rate of 3-16%, focuses on a steady supply of liquids, pain management and the administration of antibiotics. Clinical trials of drugs such as BPT1 (bovine pancreatic trypsin inhibitor), camostat and gabexate mesylate (GM) have failed due to their low molecular weight and associated rapid renal clearance. The plasma half-life for BPT1 and GM is less than 1 minute, and 1-2 hours for camostat, resulting in no detectable therapeutic effect and patient death from the resulting cytokine storm. By N-terminal fusion of the Fc-region of an IgG1 antibody to the human trypsin inhibitor SPINK1 (serine protease inhibitor kazal type 1), the molecular weight of the inhibitor was increased to 64 kDa and a plasma half-life of t1/2 ≈ 21.5 hours was achieved. By Pichia pastoris strain engineering and fermentation development, a FC-SPINK1 production titer up to 40 mg･L-1 was achieved in a shaking flask fermentation under the influence of the strong methanol-inducible promoter AOX1. The fusion protein expressed in Pichia pastoris showed initial therapeutic efficacy in caerulein-induced mouse studies. This study demonstrated the prophylactic efficacy of the inhibitor in a severe mouse model of acute pancreatitis and provided insights into the immune response of the caerulein-induced mouse model of acute pancreatitis.