Nanoporous alumina based hypersonic phononic hybrid structures studied by brillouin spectroscopy

Phononische Kristalle sind strukturierte Materialien mit sich periodisch ändernden elastischen Moduln auf der Wellenlängenskala. Die Interaktion zwischen Schallwellen und periodischer Struktur erzeugt interessante Interferenzphänomene, und phononische Kristalle erschließen neue Funktionalitäten, die in unstrukturierter Materie unzugänglich sind. Hypersonische phononische Kristalle im Speziellen, die bei GHz Frequenzen arbeiten, haben Periodizitäten in der Größenordnung der Wellenlänge sichtbaren Lichts und zeigen daher die Wege auf, gleichzeitig Licht- und Schallausbreitung und -lokalisation zu kontrollieren, und dadurch die Realisierung neuartiger akusto-optischer Anordnungen. Bisher bekannte hypersonische phononische Kristalle basieren auf thermoplastischen Polymeren oder Epoxiden und haben nur eingeschränkte thermische und mechanische Stabilität und mechanischen Kontrast. Phononische Kristalle, die aus mit Flüssigkeit gefüllten zylindrischen Kanälen in harter Matrix bestehen, zeigen einen sehr hohen elastischen Kontrast und sind bislang noch unerforscht. In dieser Dissertation wird die experimentelle Untersuchung zweidimensionaler hypersonischer phononischer Kristalle mit hexagonaler Anordnung zylindrischer Nanoporen basierend auf der Selbstorganisation anodischen Aluminiumoxids (AAO) beschrieben. Dazu wird die Technik der hochauflösenden inelastischen Brillouin Lichtstreuung (BLS) verwendet. AAO ist ein vielsetiges Modellsystem für die Untersuchung reicher phononischer Phänomene im GHz-Bereich, die eng mit den sich in den Nanoporen befindlichen Flüssigkeiten und deren Interaktion mit der Porenwand verknüpft sind. Gerichteter Fluss elastischer Energie parallel und orthogonal zu der Kanalachse, Lokalisierung von Phononen und Beeinflussung der phononischen Bandstruktur bei gleichzeitig präziser Kontrolle des Volumenbruchs der Kanäle (Porosität) werden erörtert. Außerdem ermöglicht die thermische Stabilität von AAO ein temperaturabhängiges Schalten phononischer Eigenschaften infolge temperaturinduzierter Phasenübergänge in den Nanoporen. In monokristallinen zweidimensionalen phononischen AAO Kristallen unterscheiden sich die Dispersionsrelationen empfindlich entlang zweier hoch symmetrischer Richtungen in der Brillouinzone, abhängig davon, ob die Poren leer oder gefüllt sind. Alle experimentellen Dispersionsrelationen werden unter Zuhilfenahme theoretische Ergebnisse durch finite Elemente Analyse (FDTD) gedeutet. Die Zuordnung der Verschiebungsfelder der elastischen Wellen erklärt die Natur aller phononischen Moden.

Elastizität porenüberspannender Membranen: eine kraftmikroskopische Studie

Membranen spielen eine essentielle Rolle bei vielen wichtigen zellulären Prozessen. Sie ermöglichen die Erzeugung von chemischen Gradienten zwischen dem Zellinneren und der Umgebung. Die Zellmembran übernimmt wesentliche Aufgaben bei der intra- und extrazellulären Signalweiterleitung und der Adhäsion an Oberflächen. Durch Prozesse wie Endozytose und Exozytose werden Stoffe in oder aus der Zelle transportiert, eingehüllt in Vesikel, welche aus der Zellmembran geformt werden. Zusätzlich bietet sie auch Schutz für das Zellinnere. Der Hauptbestandteil einer Zellmembran ist die Lipiddoppelschicht, eine zweidimensionale fluide Matrix mit einer heterogenen Zusammensetzung aus unterschiedlichen Lipiden. In dieser Matrix befinden sich weitere Bausteine, wie z.B. Proteine. An der Innenseite der Zelle ist die Membran über Ankerproteine an das Zytoskelett gekoppelt. Dieses Polymernetzwerk erhöht unter anderem die Stabilität, beeinflusst die Form der Zelle und übernimmt Funktionenrnbei der Zellbewegung. Zellmembranen sind keine homogenen Strukturen, je nach Funktion sind unterschiedliche Lipide und Proteine in mikrsokopischen Domänen angereichert.Um die grundlegenden mechanischen Eigenschaften der Zellmembran zu verstehen wurde im Rahmen dieser Arbeit das Modellsystem der porenüberspannenden Membranen verwendet.Die Entwicklung der porenüberspannenden Membranen ermöglicht die Untersuchung von mechanischen Eigenschaften von Membranen im mikro- bis nanoskopischen Bereich mit rasterkraftmikroskopischen Methoden. Hierbei bestimmen Porosität und Porengröße des Substrates die räumliche Auflösung, mit welcher die mechanischen Parameter untersucht werdenrnkönnen. Porenüberspannende Lipiddoppelschichten und Zellmembranen auf neuartigen porösen Siliziumsubstraten mit Porenradien von 225 nm bis 600 nm und Porositäten bis zu 30% wurden untersucht. Es wird ein Weg zu einer umfassenden theoretischen Modellierung der lokalen Indentationsexperimente und der Bestimmung der dominierenden energetischen Beiträge in der Mechanik von porenüberspannenden Membranen aufgezeigt. Porenüberspannende Membranen zeigen eine linear ansteigende Kraft mit zunehmender Indentationstiefe. Durch Untersuchung verschiedener Oberflächen, Porengrößen und Membranen unterschiedlicher Zusammensetzung war es für freistehende Lipiddoppelschichten möglich, den Einfluss der Oberflächeneigenschaften und Geometrie des Substrates, sowie der Membranphase und des Lösungsmittels auf die mechanischen Eigenschaften zu bestimmen. Es ist möglich, die experimentellen Daten mit einem theoretischen Modell zu beschreiben. Hierbei werden Parameter wie die laterale Spannung und das Biegemodul der Membran bestimmt. In Abhängigkeit der Substrateigenschaften wurden für freitragende Lipiddoppelschichten laterale Spannungen von 150 μN/m bis zu 31 mN/m gefunden für Biegemodulde zwischen 10^(−19) J bis 10^(−18) J. Durch Kraft-Indentations-Experimente an porenüberspannenden Zellmembranen wurde ein Vergleich zwischen dem Modell der freistehenden Lipiddoppelschichten und nativen Membranen herbeigeführt. Die lateralen Spannungen für native freitragende Membranen wurden zu 50 μN/m bestimmt. Weiterhin konnte der Einfluss des Zytoskeletts und der extrazellulä-rnren Matrix auf die mechanischen Eigenschaften bestimmt und innerhalb eines basolateralen Zellmembranfragments kartiert werden, wobei die Periodizität und der Porendurchmesser des Substrates das räumliche Auflösungsvermögen bestimmen. Durch Fixierung der freistehenden Zellmembran wurde das Biegemodul der Membran um bis zu einem Faktor 10 erhöht. Diese Arbeit zeigt wie lokal aufgelöste, mechanische Eigenschaften mittels des Modellsystems der porenüberspannenden Membranen gemessen und quantifiziert werden können. Weiterhin werden die dominierenden energetischen Einflüsse diskutiert, und eine Vergleichbarkeit zurnnatürlichen Membranen hergestellt.rn

Computer aided design and finite element modeling to predict bulk mechanical properties of bone scaffolds using triply periodic minimal surfaces (progettazione assistita al calcolatore ed analisi con il metodo degli elementi finiti per predire il comportamento meccanico di scaffolds ossei creati con l'uso di superfici minime periodiche in tre direzioni)

The aim of Tissue Engineering is to develop biological substitutes that will restore lost morphological and functional features of diseased or damaged portions of organs. Recently computer-aided technology has received considerable attention in the area of tissue engineering and the advance of additive manufacture (AM) techniques has significantly improved control over the pore network architecture of tissue engineering scaffolds. To regenerate tissues more efficiently, an ideal scaffold should have appropriate porosity and pore structure. More sophisticated porous configurations with higher architectures of the pore network and scaffolding structures that mimic the intricate architecture and complexity of native organs and tissues are then required. This study adopts a macro-structural shape design approach to the production of open porous materials (Titanium foams), which utilizes spatial periodicity as a simple way to generate the models. From among various pore architectures which have been studied, this work simulated pore structure by triply-periodic minimal surfaces (TPMS) for the construction of tissue engineering scaffolds. TPMS are shown to be a versatile source of biomorphic scaffold design. A set of tissue scaffolds using the TPMS-based unit cell libraries was designed. TPMS-based Titanium foams were meant to be printed three dimensional with the relative predicted geometry, microstructure and consequently mechanical properties. Trough a finite element analysis (FEA) the mechanical properties of the designed scaffolds were determined in compression and analyzed in terms of their porosity and assemblies of unit cells. The purpose of this work was to investigate the mechanical performance of TPMS models trying to understand the best compromise between mechanical and geometrical requirements of the scaffolds. The intention was to predict the structural modulus in open porous materials via structural design of interconnected three-dimensional lattices, hence optimising geometrical properties. With the aid of FEA results, it is expected that the effective mechanical properties for the TPMS-based scaffold units can be used to design optimized scaffolds for tissue engineering applications. Regardless of the influence of fabrication method, it is desirable to calculate scaffold properties so that the effect of these properties on tissue regeneration may be better understood.

Periodicities in the Hodgkin-Huxley model and versions of this model with stochastic input

A field of computational neuroscience develops mathematical models to describe neuronal systems. The aim is to better understand the nervous system. Historically, the integrate-and-fire model, developed by Lapique in 1907, was the first model describing a neuron. In 1952 Hodgkin and Huxley [8] described the so called Hodgkin-Huxley model in the article “A Quantitative Description of Membrane Current and Its Application to Conduction and Excitation in Nerve”. The Hodgkin-Huxley model is one of the most successful and widely-used biological neuron models. Based on experimental data from the squid giant axon, Hodgkin and Huxley developed their mathematical model as a four-dimensional system of first-order ordinary differential equations. One of these equations characterizes the membrane potential as a process in time, whereas the other three equations depict the opening and closing state of sodium and potassium ion channels. The membrane potential is proportional to the sum of ionic current flowing across the membrane and an externally applied current. For various types of external input the membrane potential behaves differently. This thesis considers the following three types of input: (i) Rinzel and Miller [15] calculated an interval of amplitudes for a constant applied current, where the membrane potential is repetitively spiking; (ii) Aihara, Matsumoto and Ikegaya [1] said that dependent on the amplitude and the frequency of a periodic applied current the membrane potential responds periodically; (iii) Izhikevich [12] stated that brief pulses of positive and negative current with different amplitudes and frequencies can lead to a periodic response of the membrane potential. In chapter 1 the Hodgkin-Huxley model is introduced according to Izhikevich [12]. Besides the definition of the model, several biological and physiological notes are made, and further concepts are described by examples. Moreover, the numerical methods to solve the equations of the Hodgkin-Huxley model are presented which were used for the computer simulations in chapter 2 and chapter 3. In chapter 2 the statements for the three different inputs (i), (ii) and (iii) will be verified, and periodic behavior for the inputs (ii) and (iii) will be investigated. In chapter 3 the inputs are embedded in an Ornstein-Uhlenbeck process to see the influence of noise on the results of chapter 2.

Roman aqueducts and calcareous sinter deposits as a proxy for environmental changes

Die im Süden der Türkei gelegen, antiken Städte Aspendos und Patara, waren in der Römerzeit zwei bedeutende Handelszentren mit hoher Bevölkerungsdichte. Aquädukte versorgten beide Städte mit carbonathaltigem Wasser, wobei sich Kalksinter (Calciumcarbonat) in der Kanalrinne ablagerte. Dabei lagern sich im Wechsel eine hellere und dunklere Kalksinterlage ab, die als Sinterpaar bezeichnet wird. Um die Entstehung dieser Sinterpaare besser zu verstehen, und die beteiligten Prozesse mit saisonalen Veränderungen der Umwelt zu korrelieren, werden in der vorliegenden Arbeit laminierten Sinterablagerungen mit geochemischen und petrographischen Methoden untersucht.rnEntlang der Kanalrinne beider Aquädukte wurden an mehreren Stellen Proben entnommen. Es wurde untersucht in wieweit sich die Sinterstruktur aufgrund von Änderungen in der Neigung des Wasserkanals oder des Kanaltyps ändert. Um die Kristallform und die kristallografische Orientierung der Kristalle innerhalb der verschiedenen Sinterpaare zu untersuchen, wurden die entnommenen laminierten Kalksinterablagerungen mit Hilfe optischer Mikroskopie und EBSD (Electron Backscatter Diffraction) analysiert. Der Electron Probe Micro-Analyzer (EPMA) wurde verwendet, um saisonale Schwankungen der Hauptelementverteilung und den Anteil der stabilen Isotope im Wasser zu bestimmen. Die LA-ICP-MS (Laser Ablation-induktiv gekoppeltem Plasma-Massenspektrometrie) Spurenelementanalyse wurde durchgeführt, um kleinste Schwankungen der Spurenelemente zu finden. Basierend auf diesen Analysen wurde festgestellt, dass laminierten Kalksinterablagerungen laterale Änderungen in der Aquäduktstruktur und -neigung, jahreszeitliche Änderungen der Wasserchemie, der Temperatur sowie der Entgasungsrate während eines Jahres widerspiegeln. Die Kalksinterablagerungen zeigen eine deutliche Laminierung in Form von feinkörnig-porösen und grobkörnig-dichten Schichten, die trockene und nasse Jahreszeiten anzeigen. Feinkörnige Schichten zeigen eine hohe Epifluoreszenz aufgrund reichhaltiger organischer Inhalte, die vermutlich eine Folge der bakteriellen Aktivität während der warmen und trockenen Jahreszeit sind. Stabile Sauerstoff und Kohlenstoff-Isotop-Kurven entsprechen auch den jahreszeitlichen Schwankungen der verschiedenen Schichtenpaare. Vor allem δ 18O spiegelt jährliche Veränderungen in der Temperatur und jahreszeitliche Veränderungen des Abflusses wieder. Das wichtigste Ergebnis ist, dass die Periodizität von δ 18O durch Erwärmen des Wassers im Wasserkanal und nicht durch die Verdunstung oder der Brunnenwasser-Charakteristik verursacht wird. Die Periodizität von δ 13C ist komplexer Natur, vor allem zeigen δ 18O und δ 13C eine Antikorrelation entlang der Lamellenpaare. Dies wird wohl vor allem durch Entgasungsprozesse im Aquädukt verursacht. Die Ergebnisse der Spurenelemente sind meist inkonsistent und zeigen keine signifikanten Veränderungen in den verschiedenen Lamellenpaaren. Die Isotope Mg, Sr und Ba zeigen hingegen bei einigen Proben eine positive Korrelation und erreichen Höchstwerte innerhalb feinkörnig-poröser Schichten. Auch sind die Hauptelementwerte von Fe, K, Si und anderer detritischer Elemente innerhalb der feinkörnige-porösen Schichten maximal. Eine genaue Datierung der Kalksinterablagerungen ist wünschenswert, da der Zeitraum, in dem die Aquädukte aktiv waren, bereits archäologisch auf 200-300 Jahre festgelegt wurde. Paläomagnetische und 14C-Datierung geben keine brauchbare Ergebnisse. Die U/Th Isotopie wird durch eine hohe Anfangskonzentration von Th in den Proben behindert. Trotz dieser Schwierigkeiten war eine U/Th Datierung an einem Testbeispiel des Béziers Aquädukt erfolgreich. Mit Hilfe von analogen Untersuchungen an aktiven Wasserkanälen der heutigen Zeit, werden die Ablagerungsmechanismen und die geochemische Entwicklung der laminierten Sinterschichten besser verstanden. Ein weiteres laufendes Projekt dieser Doktorarbeit ist die Überwachung von Sinterabscheidungen und der saisonale Zusammensetzung des Wassers an einigen heute noch aktiven Aquädukten. Das Ziel ist die Untersuchung der jetzigen Calciumcarbonatabscheidungen in Aquäduktkanälen unter den heutigen Umgebungsbedingungen. Erste Ergebnisse zeigen, dass kleine regelmäßige jahreszeitliche Veränderungen in der Isotopenzusammensetzung des Wassers vorliegen, und dass die beobachtete Periodizität der stabilen Isotope aufgrund von Änderungen im eigentlichen Kanal entstanden ist. Die Untersuchung von Kalksinterablagerungen in römischen Aquädukten liefern vielversprechende Ergebnisse, für die Untersuchung des Paläöklimas, der Archaeoseismologie und anderer Umweltbedingungen in der Römerzeit. Diese Studie beschränkt sich auf zwei Aquädukte. Die Untersuchungen weiterer Aquädukte und einer Überwachung, der noch in Betrieb stehenden Aquädukte werden genauere Ergebnisse liefern.

Thermoelectric properties of TiNiSn and Zr 0.5 Hf 0.5 NiSn thin films and superlattices with reduced thermal conductivities

Durch steigende Energiekosten und erhöhte CO2 Emission ist die Forschung an thermoelektrischen (TE) Materialien in den Fokus gerückt. Die Eignung eines Materials für die Verwendung in einem TE Modul ist verknüpft mit der Gütezahl ZT und entspricht α2σTκ-1 (Seebeck Koeffizient α, Leitfähigkeit σ, Temperatur T und thermische Leitfähigkeit κ). Ohne den Leistungsfaktor α2σ zu verändern, soll ZT durch Senkung der thermischen Leitfähigkeit mittels Nanostrukturierung angehoben werden.rnBis heute sind die TE Eigenschaften von den makroskopischen halb-Heusler Materialen TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn ausgiebig erforscht worden. Mit Hilfe von dc Magnetron-Sputterdeposition wurden nun erstmals halbleitende TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn Schichten hergestellt. Auf MgO (100) Substraten sind stark texturierte polykristalline Schichten bei Substrattemperaturen von 450°C abgeschieden worden. Senkrecht zur Oberfläche haben sich Korngrößen von 55 nm feststellen lassen. Diese haben Halbwertsbreiten bei Rockingkurven von unter 1° aufgewiesen. Strukturanalysen sind mit Hilfe von Röntgenbeugungsexperimenten (XRD) durchgeführt worden. Durch Wachstumsraten von 1 nms 1 konnten in kürzester Zeit Filmdicken von mehr als einem µm hergestellt werden. TiNiSn zeigte den höchsten Leistungsfaktor von 0.4 mWK 2m 1 (550 K). Zusätzlich wurde bei Raumtemperatur mit Hilfe der differentiellen 3ω Methode eine thermische Leitfähigkeit von 2.8 Wm 1K 1 bestimmt. Es ist bekannt, dass die thermische Leitfähigkeit mit der Variation von Massen abnimmt. Weil zudem angenommen wird, dass sie durch Grenzflächenstreuung von Phononen ebenfalls reduziert wird, wurden Übergitter hergestellt. Dabei wurden TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn nacheinander abgeschieden. Die sehr hohe Kristallqualität der Übergitter mit ihren scharfen Grenzflächen konnte durch Satellitenpeaks und Transmissionsmikroskopie (STEM) nachgewiesen werden. Für ein Übergitter mit einer Periodizität von 21 nm (TiNiSn und Zr0.5Hf0.5NiSn jeweils 10.5 nm) ist bei einer Temperatur von 550 K ein Leistungsfaktor von 0.77 mWK 2m 1 nachgewiesen worden (α = 80 µVK 1; σ = 8.2 µΩm). Ein Übergitter mit der Periodizität von 8 nm hat senkrecht zu den Grenzflächen eine thermische Leitfähigkeit von 1 Wm 1K 1 aufgewiesen. Damit hat sich die Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit durch die halb-Heusler Übergitter bestätigt. Durch die isoelektronischen Eigenschaften von Titan, Zirkonium und Hafnium wird angenommen, dass die elektrische Bandstruktur und damit der Leistungsfaktor senkrecht zu den Grenzflächen nur schwach beeinflusst wird.rn

Smart magnetic dispersions - from switchable release to well-defined hybrid nanofibers

The synthesis, characterization and application of aqueous dispersions of superparamagnetic/polymer hybrid nanoparticles and capsules is described. Implementation of the superparamagnetic moiety into the polymer matrix enables a response of the nanomaterials towards an external magnetic field. Application of the external field is used for two main purposes: i) As heat generator, when an alternating magnetic field is applied. ii) As structuring agent to self-assemble superparamagnetic nanoparticles in the external field.rnIn the first part, superparamagnetic nanoparticles were used as heat generators in order to achieve a magnetic field induced release of an active compound from nanocontainers. To achieve such a release in remote-controlled fashion, the encapsulation of superparamagnetic nanoparticles into polymer nanocapsules was combined with the integration of a thermolabile compound into the shell of the nanocontainers. The magnetic nanoparticles acted as generators for heat, which decomposed the thermolabile compound. Pores were created in the degrading shell and an active substance was released.rn Additionally, the self-assembly of polymer nanoparticles, which were labeled with a superparamagnetic moiety as structuring agent, could be demonstrated. A combination of a magnetic field induced self-assembly and a sintering of neighboring particles upon an increase in temperature above the glass transition temperature of the polymer was used to form stable architectures. Various structures with tunable periodicity could be obtained ranging from smooth linear nanofibers to zigzag fibers. Besides solely creating linear architectures, the frugal process additionally allowed the creation of arrangements in analogy to more complex polymer architectures: By the introduction of defined junction points, the generation of branched structures and networks was demonstrated. Additionally, by tailoring the interaction of differently sized particles, the preparation of nanoparticle arrangements in statistical or block copolymer fashion was shown. Moreover, a reversible linear assembly and linkage of the nanoparticles was demonstrated following a lock/unlock mechanism. Therefore, the particles were locked in their linear assembly by a stable iron(III) hydroxamato-complex and unlocked by addition of a reducing agent and formation of a less stable iron(II)-complex.Further, in various projects with collaboration partners, nanoparticles and nanocapsules were labeled with a superparamagnetic moiety for their use as contrast agents in magnetic resonance imaging or as magnetically separable dispersions.

Lamellar body ultrastructure revisited: high-pressure freezing and cryo-electron microscopy of vitreous sections

Lamellar bodies are the storage sites for lung surfactant within type II alveolar epithelial cells. The structure-function models of lamellar bodies are based on microscopic analyses of chemically fixed tissue. Despite available alternative fixation methods that are less prone to artifacts, such as cryofixation by high-pressure freezing, the nature of the lung, being mostly air filled, makes it difficult to take advantage of these improved methods. In this paper, we propose a new approach and show for the first time the ultrastructure of intracellular lamellar bodies based on cryo-electron microscopy of vitreous sections in the range of nanometer resolution. Thus, unspoiled by chemical fixation, dehydration and contrasting agents, a close to native structure is revealed. Our approach uses perfluorocarbon to substitute the air in the alveoli. Lung tissue was subsequently high-pressure frozen, cryosectioned and observed in a cryo-electron microscope. The lamellar bodies clearly show a tight lamellar morphology. The periodicity of these lamellae was 7.3 nm. Lamellar bifurcations were observed in our cryosections. The technical approach described in this paper allows the examination of the native cellular ultrastructure of the surfactant system under near in vivo conditions, and therefore opens up prospectives for scrutinizing various theories of lamellar body biogenesis, exocytosis and recycling.

Rapid assessment of internodal myelin integrity in central nervous system tissue

Monitoring pathology/regeneration in experimental models of de-/remyelination requires an accurate measure not only of functional changes but also of the amount of myelin. We tested whether X-ray diffraction (XRD), which measures periodicity in unfixed myelin, can assess the structural integrity of myelin in fixed tissue. From laboratories involved in spinal cord injury research and in studying the aging primate brain, we solicited "blind" samples and used an electronic detector to record rapidly the diffraction patterns (30 min each pattern) from them. We assessed myelin integrity by measuring its periodicity and relative amount. Fixation of tissue itself introduced +/-10% variation in periodicity and +/-40% variation in relative amount of myelin. For samples having the most native-like periods, the relative amounts of myelin detected allowed distinctions to be made between normal and demyelinating segments, between motor and sensory tracts within the spinal cord, and between aged and young primate CNS. Different periodicities also allowed distinctions to be made between samples from spinal cord and nerve roots and between well-fixed and poorly fixed samples. Our findings suggest that, in addition to evaluating the effectiveness of different fixatives, XRD could also be used as a robust and rapid technique for quantitating the relative amount of myelin among spinal cords and other CNS tissue samples from experimental models of de- and remyelination.

Detecting Improvised Explosive Devices Via Forward Looking Ground Penetrating Radar

Forward-looking ground penetrating radar shows promise for detection of improvised explosive devices in active war zones. Because of certain insurmountable physical limitations, post-processing algorithm development is the most popular research topic in this field. One such investigative avenue explores the worthiness of frequency analysis during data post-processing. Using the finite difference time domain numerical method, simulations are run to test both mine and clutter frequency response. Mines are found to respond strongest at low frequencies and cause periodic changes in ground penetrating radar frequency results. These results are called into question, however, when clutter, a phenomenon generally known to be random, is also found to cause periodic frequency effects. Possible causes, including simulation inaccuracy, are considered. Although the clutter models used are found to be inadequately random, specular reflections of differing periodicity are found to return from both the mine and the ground. The presence of these specular reflections offers a potential alternative method of determining a mine’s presence.

Anisotropically oriented electrospun matrices with an imprinted periodic micropattern: a new scaffold for engineered muscle constructs

Engineered muscle constructs provide a promising perspective on the regeneration or substitution of irreversibly damaged skeletal muscle. However, the highly ordered structure of native muscle tissue necessitates special consideration during scaffold development. Multiple approaches to the design of anisotropically structured substrates with grooved micropatterns or parallel-aligned fibres have previously been undertaken. In this study we report the guidance effect of a scaffold that combines both approaches, oriented fibres and a grooved topography. By electrospinning onto a topographically structured collector, matrices of parallel-oriented poly(ε-caprolactone) fibres with an imprinted wavy topography of 90 µm periodicity were produced. Matrices of randomly oriented fibres or parallel-oriented fibres without micropatterns served as controls. As previously shown, un-patterned, parallel-oriented substrates induced myotube orientation that is parallel to fibre direction. Interestingly, pattern addition induced an orientation of myotubes at an angle of 24° (statistical median) relative to fibre orientation. Myotube length was significantly increased on aligned micropatterned substrates in comparison to that on aligned substrates without pattern (436 ± 245 µm versus 365 ± 212 µm; p < 0.05). We report an innovative, yet simple, design to produce micropatterned electrospun scaffolds that induce an unexpected myotube orientation and an increase in myotube length.

Milk cortisol concentration in automatic milking systems compared with auto-tandem milking parlors

Milk cortisol concentration was determined under routine management conditions on 4 farms with an auto-tandem milking parlor and 8 farms with 1 of 2 automatic milking systems (AMS). One of the AMS was a partially forced (AMSp) system, and the other was a free cow traffic (AMSf) system. Milk samples were collected for all the cows on a given farm (20 to 54 cows) for at least 1 d. Behavioral observations were made during the milking process for a subset of 16 to 20 cows per farm. Milk cortisol concentration was evaluated by milking system, time of day, behavior during milking, daily milk yield, and somatic cell count using linear mixed-effects models. Milk cortisol did not differ between systems (AMSp: 1.15 +/- 0.07; AMSf: 1.02 +/- 0.12; auto-tandem parlor: 1.01 +/- 0.16 nmol/L). Cortisol concentrations were lower in evening than in morning milkings (1.01 +/- 0.12 vs. 1.24 +/- 0.13 nmol/L). The daily periodicity of cortisol concentration was characterized by an early morning peak and a late afternoon elevation in AMSp. A bimodal pattern was not evident in AMSf. Finally, milk cortisol decreased by a factor of 0.915 in milking parlors, by 0.998 in AMSp, and increased by a factor of 1.161 in AMSf for each unit of ln(somatic cell count/1,000). We conclude that milking cows in milking parlors or AMS does not result in relevant stress differences as measured by milk cortisol concentrations. The biological relevance of the difference regarding the daily periodicity of milk cortisol concentrations observed between the AMSp and AMSf needs further investigation.

Quantifying the periodicty of Inter Movement Intervals of Leg Movements

ims: Periodic leg movements in sleep (PLMS) are a frequent finding in polysomnography. Most patients with restless legs syndrome (RLS) display PLMS. However, since PLMS are also often recorded in healthy elderly subjects, the clinical significance of PLMS is still discussed controversially. Leg movements are seen concurrently with arousals in obstructive sleep apnoea (OSA) may also appear periodically. Quantitative assessment of the periodicity of LM/PLM as measured by inter movement intervals (IMI) is difficult. This is mainly due to influencing factors like sleep architecture and sleep stage, medication, inter and intra patient variability, the arbitrary amplitude and sequence criteria which tend to broaden the IMI distributions or make them even multi-modal. Methods: Here a statistical method is presented that enables eliminating such effects from the raw data before analysing the statistics of IMI. Rather than studying the absolute size of IMI (measured in seconds) we focus on the shape of their distribution (suitably normalized IMI). To this end we employ methods developed in Random Matrix Theory (RMT). Patients: The periodicity of leg movements (LM) of four patient groups (10 to 15 each) showing LM without PLMS (group 1), OSA without PLMS (group 2), PLMS and OSA (group 3) as well as PLMS without OSA (group 4) are compared. Results: The IMI of patients without PLMS (groups 1 and 2) and with PLMS (groups 3 and 4) are statistically different. In patients without PLMS the distribution of normalized IMI resembles closely the one of random events. In contrary IMI of PLMS patients show features of periodic systems (e.g. a pendulum) when studied in normalized manner. Conclusions: For quantifying PLMS periodicity proper normalization of the IMI is crucial. Without this procedure important features are hidden when grouping LM/PLM over whole nights or across patients. The clinical significance of PLMS might be eluded when properly separating random LM from LM that show features of periodic systems.

Sensory regulation of network components underlying ciliary locomotion in Hermissenda.

Ciliary locomotion in the nudibranch mollusk Hermissenda is modulated by the visual and graviceptive systems. Components of the neural network mediating ciliary locomotion have been identified including aggregates of polysensory interneurons that receive monosynaptic input from identified photoreceptors and efferent neurons that activate cilia. Illumination produces an inhibition of type I(i) (off-cell) spike activity, excitation of type I(e) (on-cell) spike activity, decreased spike activity in type III(i) inhibitory interneurons, and increased spike activity of ciliary efferent neurons. Here we show that pairs of type I(i) interneurons and pairs of type I(e) interneurons are electrically coupled. Neither electrical coupling or synaptic connections were observed between I(e) and I(i) interneurons. Coupling is effective in synchronizing dark-adapted spontaneous firing between pairs of I(e) and pairs of I(i) interneurons. Out-of-phase burst activity, occasionally observed in dark-adapted and light-adapted pairs of I(e) and I(i) interneurons, suggests that they receive synaptic input from a common presynaptic source or sources. Rhythmic activity is typically not a characteristic of dark-adapted, light-adapted, or light-evoked firing of type I interneurons. However, burst activity in I(e) and I(i) interneurons may be elicited by electrical stimulation of pedal nerves or generated at the offset of light. Our results indicate that type I interneurons can support the generation of both rhythmic activity and changes in tonic firing depending on sensory input. This suggests that the neural network supporting ciliary locomotion may be multifunctional. However, consistent with the nonmuscular and nonrhythmic characteristics of visually modulated ciliary locomotion, type I interneurons exhibit changes in tonic activity evoked by illumination.

Strong-meter and weak-meter rhythm identification in spina bifida meningomyelocele and volumetric parcellation of rhythm-relevant cerebellar regions.

Children with spina bifida meningomyelocele (SBM) are impaired relative to controls in terms of discriminating strong-meter and weak-meter rhythms, so congenital cerebellar dysmorphologies that affect rhythmic movements also disrupt rhythm perception. Cerebellar parcellations in children with SBM showed an abnormal configuration of volume fractions in cerebellar regions important for rhythm function: a smaller inferior-posterior lobe, and larger anterior and superior-posterior lobes.