From muscle fibre to tissue - experiment, modelling and simulation at micro, meso and makro scale

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Markus Böl; Professor Dr. Andreas Dietzel
• Subject Area: Applied Mechanics, Statics and Dynamics ; Mechanics ; Microsystems
• Term: from 2014 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 258667461

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Die Zusammenführung sehr unterschiedlicher funktionaler Materialen ist eine große Herausforderung der Mikrosystemtechnik. Es gibt in der Literatur nur wenige Berichte über den Einsatz von FG-Legierungen für mikro-elektro-mechanische Systeme, die auf Waferebene hergestellt werden können. Nach unserem Kenntnisstand ist es in diesem Projekt zum ersten Mal gelungen, Formgedächtnis-Aktor-Folien und die Greifer- und Sensorstrukturen auf Basis von Silizium vollständig auf Waferlevel zusammenzuführen, so dass auf manuelle Assemblage und erforderliche Vorauslenkung der einzelnen Aktorelemente, verzichtet werden konnte. Leider kam es zu einem Ausfall der schon recht alten DRIE-Anlage am Institut für Mikrotechnik, so dass über eine Zeitraum von über einem Jahr keine Silizium-Greiferstrukturen gefertigt werden konnten. Inzwischen konnte eine neue DRIE Anlage über einen Großgeräteantrag beschafft werden, die aber in der Laufzeit des Projektes nicht zur Verfügung stand. So war es bedauerlicherweise nicht möglich, Greiferstrukturen rechtzeitig für die Untersuchung von Gewebeproben zur Verfügung zu stellen. Für die schädigungsfreie Präparation von sehr kleinen Gewebeproben mittels Ultra-Kurzpuls-Laser wurden geeignete Parameter gefunden. Die Praxis der Präparation von Probenvolumina mit ca. 500µm Kantenlänge gestaltete sich schwieriger als erwartet, da mechanische Vorpräparation und formerhaltende mechanische Handhabung geschnittener weicher Gewebeproben Grenzen gesetzt waren. Letztendlich erfolgreich war nur die Sektion vorpräparierter Faszikel, die durch das Perimysium auf der Außenseite mechanisch stabilisiert bleiben. Darüber hinaus wurden auf den unterschiedlichen Ebenen Experimente realisiert. Auf Faserebene (Mikroebene) wurden axiale Zug- und Druckexperimente sowie transversale Druckexperimente durchgeführt. Besonders die Druckexperimente sind einzigartig und so nicht in der Literatur zu finden. Auch wurden orientierungsabhängige Druckexperimente auf Mesoebene an Muskelkuben durchgeführt. Um die mechanischen Eigenschaften der extrazellulären Matrix zu charakterisieren, wurden Zugexperimente an dezellularisiertem Muskelgewebe realisiert. In einem finalen Schritt wurden die erhobenen Daten verwendet, um in Kooperation mit einem weiteren DFG-geförderten Projekt, ein Mehrskalenmodell zu entwickeln und validieren.

Publications

• Micro-Gripper: A new concept for a monolithic single-cell manipulation device, Sensors and Actuators A: Physical, 236, 130-139, 2015
  M. Garcés-Schröder, M. Leester-Schädel, M. Schulz, M. Böl, A. Dietzel
  
• Micro-Grippers with Femtosecond-Laser Machined In-Plane Agonist-Antagonist SMA Actuators Integrated on Wafer-Level by Galvanic Riveting, Proceedings, 1, 385, 2017
  M. Garcés-Schröder, L. Hecht, A. Vierheller, M. Leester-Schädel, M. Böl, A. Dietzel
  
• Characterization of skeletal muscle passive mechanical properties by novel micro-force sensor and tissue micro-dissection by femtosecond laser ablation, Microelectronic Engineering, 192, 70-76, 2018
  M. Garcés-Schröder, D. Metz, L. Hecht, R. Iyer, M. Leester-Schädel, M. Böl, A. Dietzel
  
• Investigating the passive mechanical behaviour of skeletal muscle fibres: Micromechanical experiments and Bayesian hierarchical modelling, Acta Biomaterialia, 92, 277-289, 2019
  M. Böl, R. Iyer, J. Dittmann, M. Garcés-Schröder, A. Dietzel
  
• Shape memory alloy actuators for silicon microgrippers, Journal of Microelectromechanical Systems, 28, 869-881, 2019
  M. Garcés-Schröder, T. Zimmermann, C. Siemers, M. Leester-Schädel, M. Böl, A. Dietzel
  
• Shape memory activated microgrippers for the characterization of biological samples, Dissertation an der TU Braunschweig, Shaker-Verlag 2020, ISBN 978-3-8440-7334-8
  Mayra Garcés-Schröder
  
• 3D finite element models from serial section histology of skeletal muscle tissue – The role of micro-architecture on mechanical behaviour, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 113, 104109, 2021
  R. Kuravi, K. Leichsenring, M. Böl, A. E. Ehret
  
• Direct measurement of the direction-dependent mechanical behaviour of skeletal muscle extracellular matrix, Acta Biomaterialia, 122, 249-262, 2021
  S. Kohn, K. Leichsenring, R. Kuravi. A E. Ehret, M. Böl
  
• Mechano-geometrical skeletal muscle fibre characterisation under cyclic and relaxation loading, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 110, 104001, 2021
  M. Böl, R, Iyer, M. Garcés-Schröder, S. Kohn, A. Dietzel
  
• Predicting muscle tissue response from calibrated component models and histology-based finite element models, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 117, 104375, 2021
  R. Kuravi, K. Leichsenring, R. Trostorf, E. Morales-Orcajo, M. Böl, A. E. Ehret