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Neue Veröffentlichungen:
Item type: Item , On the FFT-based homogenization of cohesive zones: An application to the fiber-matrix composite core of metal sandwich plates(2026) Bödeker, Felix ChristianAdvanced, lightweight materials with good structural performance and advantageous fracture behavior, such as HybrixTM sandwich plates with a composite core (Lamera AB, Gothenburg, Sweden), are essential for various industries. They enable the reduction of energy consumption, which makes them crucial in the fight against climate change. However, these materials are often complex and highly adaptable to the desired industrial applications. Hence, a full experimental characterization of the fracture behavior can be time-consuming and costly. For example, the sandwich core, which largely defines the fracture behavior of the entire plate, consists of polymer fibers and binder as well as a large amount of porosity. Computational homogenization techniques can significantly reduce this experimental effort for the development of advanced engineering materials. In this approach, a virtual model for the microstructure of the material of interest is generated. Then, with the known material models of the constituents, effective macroscopic properties are obtained using computational methods. Compared with the classical Finite Element Method (FEM), which is commonly used for this purpose, solvers based on the Fast Fourier Transform (FFT) can significantly reduce the (computational) effort needed. Nevertheless, the classical approaches cannot be applied straightforwardly to fracture behavior. Material layers, such as the composite core, can be modeled as a cohesive zone with a finite thickness, which allows for accounting for the fracture behavior with specialized computational methods. Building on such an existing classical FEM-based method, this work introduces a novel FFT-based homogenization scheme for cohesive zones, which extends the application of the FFT methods to fracture behavior. The novel FFT solver uses a displacement-based Barzilai-Borwein scheme and a non-local ductile damage model for the fracture behavior. In addition, an innovative micromechanical modeling approach for the fracture behavior of the sandwich core is presented. It combines a novel method for the virtual microstructure generation for the composite core with the FFT-based homogenization scheme for cohesive zones. Furthermore, the parameters of the elastic-plastic material model including a non-local, ductile damage model were identified using microindentation and mode I tests (Double Cantilever Beam). The novel modeling approach, along with the FFT-based homogenization scheme for cohesive zones, was furthermore experimentally validated using mode III tests (Split Cantilever Beam). Hence, this modeling Approach lays the foundation for an extension to other material layers, e.g., adhesives.Item type: Item , Microbiome based clinical pathogen detection in bronchoalveolar lavage fluid using Next-Generation Sequencing(2024) Bitter, Merle XeniaLower respiratory tract infections (LRTI) are a major cause for morbidity and mortality worldwide. A precise and time-effective pathogen identification is crucial for the successful treatment of patients with LRTI. At present, culture is the gold standard for routine diagnostics. However, in around half of the cases, pathogens remain undetected. Next-generation sequencing (NGS) represents a promising approach for an unbiased microbial detection and could provide additional information for clinical practice. In this descriptive work, bacterial microbiome profiles of 144 bronchoalveolar lavage fluid samples were generated with Illumina V4 16S rRNA gene sequencing and compared to the corresponding culture results. 21 samples were selected for Nanopore long-read sequencing, to reach a higher taxonomic resolution. Additionally, manual mechanical (Zymo) and automated enzymatic (eMAG) extraction methods were compared. The results of the two extraction methods showed similarities in some respects (number of sequenced reads and the DNA yield), but variations in others (contamination and α-diversity). After the removal of the contamination genera, Zymo and eMAG presented with a similar community composition. The most abundant genera were Streptococcus, Staphylococcus, Pseudomonas, Prevotella 7, Veillonella and Rothia. The cultured bacteria could be retraced by Illumina sequencing (Zymo: 91.5%; eMAG: 85.6%), however, not always appearing among the top sequenced genera of the microbiome profiles. In 76.5 %, Nanopore sequencing result corresponded with the cultured species. In two cases, Nanopore sequencing detected a potential pathogen (H. influenzae and Str. pneumoniae), which was not reported in culture. A higher DNA yield could be observed in samples with a potential pathogen in culture. α-diversity did not vary significantly between the different culture results. In conclusion, NGS results showed a partial overlap with culture as the current diagnostic gold standard in LRTI. NGS could represent a valuable extension to increase the microbial detection rate since it captures a broad spectrum of bacteria. Furthermore, NGS reveals additional microbial features of the complex ecosystem in the lungs.Item type: Item , Explorative Studie zum Einfluss der konventionellen Herz-Lungen-Maschine im Vergleich zur Herz-Lungen-Maschine mit minimierter Fremdoberfläche auf die Freisetzung von mitochondrialer DNA im Blut(2025) Schwiddessen, JanDer Einsatz der minimierten extrakorporalen Zirkulation (MiECC) während herzchirurgischer Eingriffe ist im Vergleich zum konventionellen kardiopulmonalen Bypass (cCPB) mit einer geringeren Entzündungsreaktion verbunden. Da nicht bekannt ist, ob MiECC auch die Menge an freier zirkulierender mitochondrialer DNA (mtDNA) reduziert, zielt diese Studie darauf ab, die MiECC-induzierte mtDNA-Freisetzung mit cCPB zu vergleichen sowie mögliche Zusammenhänge zwischen den Plasmaspiegeln von mtDNA und Komplikationen zu identifizieren. Insgesamt wurden 45 Patienten, die sich einem herzchirurgischen Eingriff mit entweder cCPB oder MiECC unterzogen, in die Studie aufgenommen. Die mtDNA, die für die NADH-Dehydrogenase 1 kodiert, wurde mittels quantitativer Polymerase-Kettenreaktion quantifiziert. Komplikationen wurden definiert als postoperatives Vorhofflimmern (POAF), akute Niereninsuffizienz (AKI), postoperative Infektionen sowie Wiederaufnahme auf die Intensivstation. Die Plasmakonzentration der mtDNA war bei Patienten, die sich einer Herzoperation mit MiECC unterzogen, im Vergleich zu cCPB signifikant niedriger (MiECC: 161,8 [65,5- 501,9]; cCPB 190,8 [82- 705,7]; p < 0,001). Die Plasmaspiegel der mtDNA zeigten unabhängig von der Studiengruppe eine vergleichbare Kinetik und erreichten ihren Höhepunkt während der CPB (MiECC präoperativ: 68,2 [26,5-104,9]; MiECC 60 min nach Beginn der CPB: 536,5 [215,7-919,6]; cCPB präoperativ: 152,5 [80,9-207,6]; cCPB 60 min nach Beginn der CPB: 1.818,0 [844,2-3.932,2]; alle p < 0,001). Patienten mit einer mtDNA-Blutkonzentration >650 Kopien/µl nach Beginn der CPB hatten unabhängig von der Art des CPB ein 5-fach erhöhtes Risiko für POAF. Die Menge an mtDNA zeigte eine mäßige Vorhersagekraft (AUROC 0,71 [0,53-071]) für die Identifizierung von POAF. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Plasmaspiegel von mtDNA bei Patienten, die sich einer Herzoperation mit MiECC unterzogen, im Vergleich zu cCPB niedriger waren. Die Menge an mtDNA zu Beginn der CPB wurde unabhängig von der Art des kardiopulmonalen Bypasses mit postoperativem Vorhofflimmern in Verbindung gebracht.Item type: Item , Die Bürstenzelle stimuliert parakrin über Acetylcholin die Mucinfreisetzung aus dem Gallenblasenepithel(2025) Faraj Tabrizi, SchayanDas Gallenblasenepithel besteht aus Cholangiozyten, die als dominierende Zellen für die Mucinsekretion verantwortlich sind, sowie aus Bürstenzellen. Abgesehen davon, dass Bürstenzellen das für die Acetylcholinsynthese verantwortliche Enzym ChAT exprimieren, ist ihre Funktion bislang unbekannt. Ziel dieser Arbeit war es, die Funktion biliärer Bürstenzellen in der Gallenblase zu identifizieren. Hierzu wurden explantierte Gallenblasen von Mäusen entweder pharmakologisch oder mithilfe blauen Lichts in einem optogenetischen Modell (ChAT-ChR2-EYFP) stimuliert. Anschließend wurde elektronenmikroskopisch die Volumendichte der Mucingranula in den Cholangiozyten stereologisch analysiert. Gallenblasen von Mäusen mit globaler Defizienz des muskarinergen Rezeptors Chrm3 sowie mit bürstenzellspezischer Deletion des Acetylcholinsyntheseenzyms ChAT dienten zur Abklärung des Signalwegs. Muskarin bewirkte eine Exozytose der Mucingranula in Cholangiozyten. Eine optogenetische Aktivierung der Bürstenzellen in ChAT-ChR2-EYFP-Mäusen, in denen der lichtsensitive Kanal ChR2 in der Gallenblase selektiv in Bürstenzellen exprimiert wird, senkte entsprechend die Volumendichte der Mucingranula. Dieser Effekt war mit dem muskarinischen Rezeptorblocker Atropin hemmbar. Als Kandidat für einen natürlich vorkommenden Stimulus von biliären Bürstenzellen wurde Propionat gewählt, da es im Darmtrakt in hohen Konzentrationen als mikrobieller Metabolit vorkommt. Auch Propionat löste über Bürstenzellen eine Exozytose von Mucinen aus, und zwar über einen cholinergen Mechanismus, da der Effekt bei bürstenzellspezifischer Deletion von Chat ausblieb. Dabei vermittelte der muskarinerge Rezeptor Chrm3 den Effekt der Bürstenzelle auf die Cholangiozyten, da Propionat in Gallenblasen von Chrm3- gendefizienten Mäusen keine Exozytose induzierte. Die Ergebnisse zeigen, dass Bürstenzellen der Gallenblase den dort als Gefahrensignal zu wertenden, von Bakterien oder Parasiten stammenden Metaboliten Propionat erkennen und über Acetylcholinfreisetzung eine Mucinfreisetzung aus dem Gallenblasenepithel induzieren. Die Mucinfreisetzung dient als unspezifischer Abwehrmechanismus gegen verschiedenartige Pathogene. Die Bürstenzelle ist daher als Wächter- und Effektorzelle gegenüber einer Besiedlung mit Propionat produzierenden Pathogenen anzusehen.Item type: Item , Domain discretization and moment-free quadrature for meshless methods(2025) Degli Esposti, BrunoMeshless methods are a versatile class of numerical techniques that discretize computational domains using scattered, unstructured nodes, avoiding the complexities and limitations of conventional mesh generation. These methods are especially well-suited for problems involving complex geometries and dynamic phenomena such as free boundaries, large deformations, and crack propagation, where traditional meshing approaches often become computational bottlenecks. This thesis addresses two fundamental challenges in the meshless paradigm: robust node generation for real-world 3D domains, and high-order numerical integration on scattered nodes. First, we propose a fully meshless advancing front node generation algorithm tailored for 3D domains described in the B-rep (boundary representation) format, the standard used in Computer-Aided Design (CAD). Our algorithm efficiently converts trimmed NURBS surfaces into variable-density point clouds that sample both the interior and boundary of the domains. The method operates hierarchically by progressively advancing a front over lower-dimensional entities (edges and faces) before higher-dimensional ones (volumes), and incorporates a novel meshless inclusion test that prevents nodes from being placed outside the domain of interest, even in the case of piecewise smooth boundaries. The algorithm is shown to perform effectively on complex 3D geometries, producing well-distributed node configurations suitable for numerical simulations using meshless finite difference methods. Second, we introduce a novel approach to numerical integration by simultaneously generating high-order quadrature weights for integrals over Lipschitz domains and their boundaries without relying on meshing or the computation of moments (integrals of basis functions). The weights are obtained on given scattered nodes as a minimum norm solution of a sparse underdetermined linear system arising from a discretization of a suitable boundary value problem. This discretization is achieved using either tensor-product B-spline collocation or meshless finite differences, such as those based on polyharmonic radial basis functions (RBF-FD). The proposed moment-free method is easy to implement, and does not depend on the domain’s representation (parametric or implicit), since it only requires as inputs the position of all quadrature nodes and the direction of outward-pointing normals at each node belonging to the boundary. Comprehensive numerical experiments demonstrate the robustness and high accuracy of the method on a number of smooth and piecewise smooth domains in 2D and 3D, including some with reentrant corners and edges. Together, the contributions presented in this thesis advance the state of the art in meshless methods by addressing critical challenges in node generation and numerical integration, and by providing robust tools for challenging real-world applications involving complex geometries and high-order accuracy requirements.