500 Naturwissenschaften und Mathematik
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Electrospinning is a versatile and promising drug delivery technology for the development of tailor-made drug delivery systems for various clinical applications. By applying high voltages to drug-loaded polymer solutions, solid polymeric nanofibers can be generated, which encapsulate active pharmaceutical ingredients (APIs) into their polymer matrix. During the electrospinning process, the fibers are deposited on a collector and form a nonwoven network of drug-loaded polymer fibers. These fibers are spatially distributed in aligned or random orientation, providing the opportunity to design highly tunable structural and mechanical properties, which can be adapted to the biological requirements of the intended application site. The mechanically flexible fiber networks can therapeutically be administered to a multitude of pharmaceutical application sites. Their highly porous fiber structure exhibits a large surface-to-volume ratio, which is ideal for controlled drug release kinetics from the polymer matrix upon contact with biological fluids, such as tear fluid, saliva, mucus, wound exudate or gastro-intestinal fluid. For application at the target site, fiber mats are cut into patches. As the patch size determines the quantity of applied API, the electrospinning process must ensure homogeneous distribution of the API throughout the entire fiber mat area.
In this thesis, electrospinning was established as a formulation technology for the rational fabrication of tailor-made multifunctional drug carrier systems for local and site-specific drug delivery to the epithelial interfaces skin, oral mucosa as well as cornea. For adequate characterization and analysis of the drug delivery systems, a broad panel of robust and predictive analytical tools, based of novel investigation techniques for physicochemical characterization of electrospun fibers, was developed.
The initial part of the thesis thematically focuses on the development of predictive analytical techniques, to determine fiber morphology and physicochemical properties, as well as fiber composition and drug release. By designing two model formulations with contrasting properties, and subsequent analysis and characterization with a set of newly developed techniques and state-of-the-art methods, a comprehensive toolset has been made available and evaluated, aiming at advancing and standardizing respective techniques in the scientific field of electrospun drug delivery systems.
Starting with the initiation of the electrospinning formulation process, which often relies on empirical data rather than analytical methods to predict successful processability, analysis of rheological properties of electrospinning solutions was used to rationally detect the minimum polymer concentration required for electrospinning.
For analysis of fiber morphology, scanning electron microscopy is a common technique. However, little attention is given to underlying readout parameters. By analyzing the fiber orientation and diameter of the respective fibers, predictive results regarding mechanical properties could be obtained, which were subsequently confirmed by measuring elongation force with tensile testing. Confocal Raman microscopy, a label-free method for chemically- selective imaging of the fiber samples, was introduced as a complementary visualization technique, enabling the detection of fiber composition and drug distribution.
A novel technique for investigation of water contact angles on the fiber surface of highly hydrophilic polymers was introduced, which provides predictive data regarding interaction with body fluids and the resulting drug release kinetics. Subsequent release testing in a newly developed setup for analyzing drug release from electrospun fibers in low-volume body compartments, confirmed the anticipated drug release kinetics from measurement of the surface hydrophilicity.
By combining complementary analytical methods, including spectral composition analysis, morphology visualization, characterization of physico-chemical properties and drug release kinetics, as well as the application of multivariate data analysis, a robust and predictive toolset has been established, which can support comparability of future electrospinning studies and the translation from the lab bench into clinics.
Based on the analytical toolset, the main part of the thesis focuses on the development and preparation of electrospun platform drug delivery systems for application on epithelial barriers. Electrospun fiber mats are thin, flat, and mechanically flexible, which allows close adherence to epithelial surfaces and reduction of diffusion paths, which enables efficient drug delivery to the skin, oral mucosa, as well as the cornea.
Electrospun fibers bear a high potential for application as wound dressings, while simultaneously controlling the local delivery of APIs to the wound area. Their close resemblance to the extracellular matrix of human skin provides a suitable microenvironment for cellular proliferation and migration for wound closure. In this work, insulin, a fragile proteohormone with growth factor characteristics, was successfully encapsulated into the core of coaxially electrospun fibers, thus maintaining bioactivity throughout and after the electrospinning process. The shell has been designed from biocompatible polymers, which, upon contact with aqueous wound exudate, partially dissolve and form pores through which bioactive insulin is released in a controlled manner. The shell layer provides a hydrophilic surface for interaction with body fluids and skin cells, and possesses substantial mechanical strength, flexibility, and high tensile elongation required for application on wounds. The biocompatibility of the wound dressing was investigated by interaction with primary human dermal fibroblasts and keratinocytes, which displayed healthy cell morphologies without indicating any elevated levels of cytotoxicity markers.
To investigate the effect of insulin on cell migration, in vitro scratch assays on human skin cells were performed. Increased cellular migration speed and wound closure could be observed, indicating improved wound healing. Bio relevance of in vitro wound healing potential results was advanced by development of 3D ex vivo human epidermal skin wound models from reduction surgery donor material. These complex wound models were treated with electrospun insulin fibers and analyzed by proteome analysis to reveal significant increases in wound healing-associated signaling pathways, which could be attributed to a material-driven remarkably positive impact on wound healing of the electrospun fibers...
Natur und Naturwissenschaft
(1942)
Feuer, Wasser, Erde und Luft in der modernen Kunst : Strategien der Darstellung des Elementaren
(2005)
Zu Ende ihrer Kulturgeschichte von Feuer, Wasser, Erde und Luft diagnostizieren die Brüder Gernot und Hartmut Böhme eine "Wiederkehr der Elemente" in der gegenwärtigen Alltagswelt. In kaum einem Bereich jedoch ist diese "Wiederkehr" so deutlich zu erkennen wie in der modernen Kunst seit Beginn der sechziger Jahre des 20. Jahrhunderts. Im Zuge der Emanzipation des Stoffs von der Form und den damit einhergehenden Materialuntersuchungen der Avantgarde und vor dem Hintergrund von Umweltzerstörung und Naturentfremdung wurden Feuer, Wasser, Erde und Luft zu bedeutenden Themen der Kunst. Von der Earth-Art bis zur Air-Art, von den Wasserarbeiten Klaus Rinkes, der Lichtkunst James Turells, den Feuerzeichnungen von Jannis Kounellis bis zu den Steinskulpturen von Ulrich Rückriem, um nur einige Beispiele zu nennen, erweitern die vier Elemente das Repertoire der Kunst und werden in eigenen Ausstellungen thematisiert. Wenn hierbei von einer "Wiederkehr" gesprochen wird, so darf nicht übersehen werden, daß die Elemente in der späten Moderne gewissermaßen nackt und vollkommen entsemantisiert präsentiert werden, während sie in der frühen Neuzeit, etwa in den Kupferstichen von Antonius Wierinx (um 1552-1624) oder Jan van de Velde (1593-1641) über den Umweg einer allegorischen und ikonologiegeschichtlich zu deutenden Weise dargestellt wurden.
Die "Wiederkehr der Elemente" in der Kunst ist daher nicht unbedingt als Fortführung einer zwischenzeitlich in Vergessenheit geratenen Tradition zu verstehen, sondern vielmehr als Wiederaufnahme eines alten Motivs auf vollkommen neue Weise. Die Frage, der im folgenden nachgegangen werden soll, ist die, ob bzw. wann die Thematisierung von Feuer, Wasser, Erde und Luft in der modernen Kunst in einer Weise erfolgt, in der diese Phänomene zugleich als Elemente präsentiert und erfahren werden.
Nur frühwarnsystembastelnde Optimisten glauben, daß die Auswirkungen der jüngsten Flutwelle auf materielle Schäden begrenzt bleiben könnten. Mit jeder neuen Nachrichtensendung, mit jedem neuen Tsunamiexperten erwischte uns ebenso flutartig und begleitet von zahlreichen wissenschaftlichen Erklärungsmustern eine Welle religiöser Deutungsmuster der Katastrophe. Naturfürchtig rollt sich jede Aufklärung in sich zusammen in Angst und Schrecken vor der Strafe Gottes. Mit anderen Worten: Wie bei jeder Katastrophe hat man es mit einem Wettlauf zwischen verschiedenen konkurrierenden Deutungsmodellen zu tun. Was bei dem Dezember-Tsunami überrascht - und von allen Medien fleißig kommentiert wurde -, war die Tatsache, daß biblische Deutungsmuster erstmals die Nase vorn hatten. Die jüngsten Tsunamis spülten eine Welle von biblischen Bildern und sintflutartigen Metaphern in die Wohnzimmer der nichtüberschwemmten Welt: Die erste globale Naturkatastrophe des neuen Jahrtausends war auch eine Rückkehr in ein wenn nicht biblisches, so doch religiös konnotiertes Weltbeschreibungssystem.
Diese Beschreibungen werfen die Zivilisation weiter zurück als die materiellen Schäden - exakt ins Jahr 1755. Am 1. November erreichte jene legendäre 22 Fuß hohe Welle Lissabon; nur zwei Stunden später war sie schon in Irland. Die schwerste Naturkatastrophe in der Geschichte Europas erschütterte die Iberische Halbinsel und Nordafrika mit drei Erdstößen. Sie zerstörte Lissabon und löste einen Tsunami aus, der zehntausende Menschen tötete und selbst in Deutschland noch zu spüren war. Die erste in London eintreffende Nachricht berichtete folgendes: "Das Handelshaus und der Königspalast sind vollständig zerstört, die Warenhäuser der Überseehändler verloren, und, um die Zerstörung der Stadt zu vervollständigen, wurde sie von schwefligen Eruptionen aus den Gedärmen der Erde in Brand gesetzt. Mehr als die Hälfte der Gebäude sind zerstört und ungefähr 100000 Menschen haben ihr Leben verloren. Der König und seine Familie entkamen halbnackt aus dem Palast."
Die in Deutschland seit etwa den 80er Jahren andauernde Konjunktur der Kulturwissenschaften, die nicht mit den aus Konzepten der Birmingham-School hervorgegangenen Cultural Studies zu verwechseln sind, führt als ihr theoriegeschichtliches Apriori den Diskurs über Differenzen zwischen Natur- und Geisteswissenschaften mit sich, dessen Konstellation im 19. Jahrhundert Wilhelm Dilthey 1910 in Gestalt eines Standardwerkes beschrieben hat. Die vor fast fünfzig Jahren von dem englischen Physiker und Romancier Percy Charles Snow getroffene Diagnose zweier sich entfremdet und kommunikationslos gegenüberstehender Kulturen, einer traditionalistisch literarischen und einer naturwissenschaftlichen, deren Trennung Snow als ein Problem analysierte und als ein Dilemma beklagte, wurde entgegen der Absicht ihres Erfinders zu einem ebenso bequemen wie die aufgerufenen Probleme verwirrenden Schema kanonisiert. Verwirrend war (und bleibt) der Dualismus eines Modells, das von Befürwortern wie Gegnern als Voraussetzung angenommen wurde und schließlich sogar durch Anbauten einer dritten (soziologischen) Kultur erweitert und ergänzt wurde, der Wolf Lepenies im Vergleich zwischen Frankreich, England und Deutschland eine wissenschaftsgeschichtliche Begründung zu geben versuchte. "Seit der Auseinandersetzung zwischen P. C. Snow und F. R. Leavis ist der Gegensatz von Natur- und Geisteswissenschaften zum Schlagwort von den zwei Kulturen geworden. Ich bin der Auffassung, dass man die Sozialwissenschaften als eine dritte Kultur bezeichnen kann, in der seit ihrem Entstehen szientifische und literarische Orientierungen einander gegenüberstehen."
Text und Experiment : die Experimentalszene als mediale Konfiguration im Werk E. T. A. Hoffmanns
(2014)
Im literarischen Werk E.T.A. Hoffmanns nimmt das Experiment eine besondere Stellung ein. Wissenschaftliche oder parawissenschaftliche - auch alchemistische - Experimente kommen in seinem OEuvre an vielen Stellen explizit zur Sprache. In der zweiten Vigilie des bekannten 'Goldenen Topf', beispielsweise stellt der Registrator Heerbrand den geheimen Archivarius Lindhorst zunächst als einen "experimentierenden Chemiker" vor. In dem Märchen 'Klein Zaches genannt Zinnober' unternimmt der Professor Mosch Terpin so manch "physikalisches Experiment". In den Gesprächen der Serapions-Brüder ist unter anderem vom "Experiment" des Magnetismus die Rede, und in der späten Erzählung 'Der Elementargeist' kommt es noch zu einem sehr ausgiebig beschriebenen "Experiment". Dies sind lediglich vereinzelte Beispiele, die einen ersten Einblick bieten. Das "Experiment" an sich stellt ein rekurrentes Motiv des Gesamtwerks Hoffmanns dar. Wie lässt sich diese Präsenz und Prägnanz des Experimentalmoments kontextualisieren? Wie lässt sie sich begründen? Und zunächst auch: Welche Verbindungen ergeben sich genereller aus dem Zusammenhang von Literatur und Experiment?
Mit der Konstellation "Text und Experiment" ist ein Themenfeld bezeichnet, das als Schnittfläche zwischen wissenschaftsgeschichtlichen und literaturhistorischen Fragestellungen heute kein unerforschtes Gebiet darstellt. Zu den Verbindungen zwischen Experiment und literarischer Konfiguration liegt mit dem von Michael Gamper herausgegebenen Band 'Experiment und Literatur' sowie der grundlegenden, dreibändigen literaturgeschichtlichen Buchfolge zu dem Thema inzwischen eine imposante Reihe wissenschaftlicher Werke vor. Die genannten Bände stecken Grundlagen ab, liefern Einzelanalysen und geben darüber hinaus Impulse und Anregungen für die weitere Beschäftigung mit dem Gegenstand.
Transcranial electrical stimulation has widespread clinical and research applications, yet its effect on ongoing neural activity in humans is not well established. Previous reports argue that transcranial alternating current stimulation (tACS) can entrain and enhance neural rhythms related to memory, but the evidence from non-invasive recordings has remained inconclusive. Here, we measure endogenous spindle and theta activity intracranially in humans during low-frequency tACS and find no stable entrainment of spindle power during non-REM sleep, nor of theta power during resting wakefulness. As positive controls, we find robust entrainment of spindle activity to endogenous slow-wave activity in 66% of electrodes as well as entrainment to rhythmic noise-burst acoustic stimulation in 14% of electrodes. We conclude that low-frequency tACS at common stimulation intensities neither acutely modulates spindle activity during sleep nor theta activity during waking rest, likely because of the attenuated electrical fields reaching the cortical surface.
An empirical study of the per capita yield of science Nobel prizes : is the US era coming to an end?
(2018)
We point out that the Nobel prize production of the USA, the UK, Germany and France has been in numbers that are large enough to allow for a reliable analysis of the long-term historical developments. Nobel prizes are often split, such that up to three awardees receive a corresponding fractional prize. The historical trends for the fractional number of Nobelists per population are surprisingly robust, indicating in particular that the maximum Nobel productivity peaked in the 1970s for the USA and around 1900 for both France and Germany. The yearly success rates of these three countries are to date of the order of 0.2–0.3 physics, chemistry and medicine laureates per 100 million inhabitants, with the US value being a factor of 2.4 down from the maximum attained in the 1970s. The UK in contrast managed to retain during most of the last century a rate of 0.9–1.0 science Nobel prizes per year and per 100 million inhabitants. For the USA, one finds that the entire history of science Noble prizes is described on a per capita basis to an astonishing accuracy by a single large productivity boost decaying at a continuously accelerating rate since its peak in 1972.
Im Folgenden wird Herders wechselseitiger Entwurf von Mensch und Natur in ein Verhältnis zur Klimakonzeption Kants gesetzt, wie dieser sie im Kontext seiner naturphilosophischen Überlegungen entwickelt. Dabei wird es nicht darum gehen, eine der beiden Positionen gegen die andere auszuspielen, sondern darum, die Denk- und Darstellbarkeit klimatischer Natur – noch vor ihrer Repräsentation in Diagrammen oder dem Versuch der Klimaprognose - auf den Grundlagen von zwei verschiedenen theoretischen Positionen zu rekonstruieren. Ein Hauptaugenmerk gilt der Frage, ob und inwiefern bei der Darstellung klimatischer Natur für beide Autoren Modelle eine Rolle spielen, und zwar in zwei Hinsichten: Erstens gilt die Aufmerksamkeit der Verwendung von Modellen, die rückwirkend als solche identifiziert werden können, von den Autoren aber nicht unbedingt als "Modell" bezeichnet wurden; zweitens der Verbindung zwischen den Darstellungsweisen klimatischer Natur in den Texten und ihrer Reflexion auf den Einsatz von Modellen, die sowohl bei Kant als auch bei Herder in der expliziten Beschäftigung mit der Funktion der Analogie zu finden ist.
"Wellenformen" : die Leistung mathematischer Modellbildung für Akustik, Physiologie und Musiktheorie
(2016)
Im Jahr 1857 hält Hermann von Helmholtz einen Vortrag 'Ueber die physiologischen Ursachen der musikalischen Harmonien', in dem er erstmals Ergebnisse seiner akustischen und hörphysiologischen Forschungen einer akademischen Öffentlichkeit vorstellt. Dabei bilden die Untersuchungen und Experimente, die Helmholtz im Rahmen seiner Tätigkeit als Professor für Anatomie und Physiologie an der Universität Bonn durchgeführt hat, Grundlage und Ausgangspunkt einer umfassenden Neukonstitution von Wissenszusammenhängen, in deren Zuge ältere Wissensbestände arrondiert, im Lichte neuer Erkenntnisse bewertet, erweitert, neu gefasst und in ausgearbeiteter Form sechs Jahre später unter dem Titel 'Die Lehre von den Tonempfindungen' veröffentlicht werden. In den einleitenden Worten seines Vortrages aus dem Jahr 1857 verweist Helmholtz in diesem Kontext auf einen Aspekt, der ihm offenkundig von großer Signifikanz zu sein scheint:
"Es hat mich immer als ein wunderbares und besonders interessantes Geheimnis angezogen, dass gerade in der Lehre von den Tönen, in den physikalischen und technischen Fundamenten der Musik, die unter allen Künsten in ihrer Wirkung auf das Gemüth als die stoffloseste, flüchtigste und zarteste Urheberin unberechenbarer und unbeschreiblicher Stimmungen erscheint, die Wissenschaft des reinsten und consequentesten Denkens, die Mathematik, sich so fruchtbar erwies."
Bemerkenswert an dieser Aussage ist nicht, dass Musik und Mathematik in eine enge Beziehung zueinander gesetzt werden - hier kann Helmholtz auf eine über zweitausendjährige Tradition der wechselseitigen Elaboration beider Bereiche verweisen -, sondern dass Darlegungen, die auf die systematische Durchdringung der Zusammenhänge zwischen akustischen, physiologischen, psychischen, musiktheoretischen und ästhetischen Phänomenbereichen zielen, ihren Ausgangspunkt in der Mathematik nehmen. Diesen Leistungen, die mathematisches Denken für die Untersuchung und Explikation dieser Zusammenhänge erbringt, möchte der folgende Beitrag nachgehen. Es wird sich zeigen, dass eine spezifische mathematische Operation für das Verständnis von akustischen und physiologischen Prozessen modellbildend wirkt und über verschiedene Applikationswege hinweg neue Impulse der Systematisierung von Wissensbeständen setzt.