Marathon: An open source software library for the analysis of Markov-Chain Monte Carlo algorithms

In this paper, we consider the Markov-Chain Monte Carlo (MCMC) approach for random sampling of combinatorial objects. The running time of such an algorithm depends on the total mixing time of the underlying Markov chain and is unknown in general. For some Markov chains, upper bounds on this total mixing time exist but are too large to be applicable in practice. We try to answer the question, whether the total mixing time is close to its upper bounds, or if there is a significant gap between them. In doing so, we present the software library marathon which is designed to support the analysis of MCMC based sampling algorithms. The main application of this library is to compute properties of so-called state graphs which represent the structure of Markov chains. We use marathon to investigate the quality of several bounding methods on four well-known Markov chains for sampling perfect matchings and bipartite graph realizations. In a set of experiments, we compute the total mixing time and several of its bounds for a large number of input instances. We find that the upper bound gained by the famous canonical path method is several magnitudes larger than the total mixing time and deteriorates with growing input size. In contrast, the spectral bound is found to be a precise approximation of the total mixing time

The Transitivity of Trust Problem in the Interaction of Android Applications

Mobile phones have developed into complex platforms with large numbers of installed applications and a wide range of sensitive data. Application security policies limit the permissions of each installed application. As applications may interact, restricting single applications may create a false sense of security for the end users while data may still leave the mobile phone through other applications. Instead, the information flow needs to be policed for the composite system of applications in a transparent and usable manner. In this paper, we propose to employ static analysis based on the software architecture and focused data flow analysis to scalably detect information flows between components. Specifically, we aim to reveal transitivity of trust problems in multi-component mobile platforms. We demonstrate the feasibility of our approach with Android applications, although the generalization of the analysis to similar composition-based architectures, such as Service-oriented Architecture, can also be explored in the future

The yeast expression system for recombinant glycosyltransferases

Glycosyltransferases are increasingly being used for in vitro synthesis of oligosaccharides. Since these enzymes are difficult to purify from natural sources, expression systems for soluble forms of the recombinant enzymes have been developed. This review focuses on the current state of development of yeast expression systems. Two yeast species have mainly been used, i.e. Saccharomyces cerevisiae and Pichia pastoris. Safety and ease of fermentation are well recognized for S. cerevisiae as a biotechnological expression system; however, even soluble forms of recombinant glycosyltransferases are not secreted. In some cases, hyperglycosylation may occur, P. pastoris, by contrast, secrete soluble orthoglycosylated forms to the supernatant where they can be recovered in a highly purified form. The review also covers some basic features of yeast fermentation and describes in some detail those glycosyltransferases that have successfully been expressed in yeasts. These include β1,4galactosyltransferase, α2,6sialyltransferase, α2,3sialyltransferase, α1,3fucosyltransferase III and VI and α1,2mannosyltransferase. Current efforts in introducing glycosylation systems of higher eukaryotes into yeasts are briefly addresse

Entwicklung von Verfahren zur Erzeugung anisotroper Mikrostrukturen und VEGF-Gradienten auf Collagen Typ I-Scaffolds für Zellkulturanwendungen

Die Versorgung mit Nährstoffen und Sauerstoff in artifiziellen, 3D Scaffolds für das Tissue Engineering ist Grundvoraussetzung für die Viabilität darin kultivierter Zellen. Die Kombination aus definierter Architektur und biomimetischer Zusammensetzung ist dabei entscheidend, sodass neben dem Stofftransport auch die Adhäsion, Proliferation, Migration und Morphologie von Zellen gesteuert werden können. Die Verwendung von Komponenten der nativen Extrazellulären Matrix, wie Collagen Typ I (COL I), als Scaffold-Material wird dafür als optimal angesehen. Jedoch stellt die Gestaltung der Architektur und Bereitstellung instruktiver Elemente zur Steuerung der Zellverhaltens bei COL I-basierten Scaffolds, aufgrund der mechanischen und biochemischen Eigenschaften des COL I, besondere Ansprüche an die Bearbeitungsverfahren. Ziel dieser Arbeit war es daher, Verfahren zur Ausstattung von modularisierbaren, COL I-basierten Membranen mit einer instruktiven biochemischen Zusammensetzung, Mikroarchitekturen als Basis für ein initiales vaskuläres System und Gradienten des Vascular Endothelial Growth Factors (VEGF) zu entwickeln. Diese Scaffolds sollten anschließend hinsichtlich der Beeinflussung des Wachstums, der Orientierung und der gerichteten Migration von humanen Endothelzellen aus der Nabelschnurvene (HUVEC) charakterisiert werden. COL I-Scaffolds konnten durch Plastic Compression in Membranform hergestellt und mit Fibronectin (FN) und Hyaluronsäure (HA, mit hohem Molekulargewicht) ausgestattet werden. Die Inkorporation von FN erhöhte die HUVEC-Proliferation, während die Proliferationsrate bei der verwendeten HA konstant blieb. Anisotrope Mikrostrukturen als Basis für ein vaskuläres System und zur HUVECOrientierung wurden durch einen 3-stufigen Prozess auf den COL I-Membranen erzeugt. Dabei wurde die Mikrostrukturübertragung durch mikrostrukturierte Polystyren-Stempel in einem Druckumformprozess realisiert. Die erhaltenen Mikrogräben mit Breiten von 10-40 µm beeinflussten die Orientierung der HUVEC deutlich. Für die Erzeugung von VEGF-Gradienten zur Steuerung der gerichteten Migration von HUVEC wurde ein Immersionsverfahren mit Hilfe der Modellproteine Bovines Serumalbumin und Hyaluronidase entwickelt. Dieses ermöglichte die Erzeugung eines linearen, graduellen Konzentrationsverlaufs der Modellproteine auf der Membranoberfläche. Der entwickelte Prozess konnte auf VEGF mit einem minimalen Gradientenprofil von 3,8-11,8 pg/mm² nach Immersion in 100 ng/mL VEGF-Lösung übertragen werden. Erste Versuche zur Induktion der HUVEC-Migration zeigten, dass ein erfolgreiches Gradientenprofil jedoch noch gefunden werden muss. Die erzeugten COL I-Membranen bilden eine gute Ausgangsposition für die Bereitstellung modularer, biomimetischer Tissue-Engineering-Scaffolds, mit initialer Vaskularisierung und zellinstruktiven Elementen. Außerdem besitzen sie das Potential, durch eine Vielzahl von Bio-Engineering-Methoden modifiziert und biochemisch den Anforderungen an das zelluläre Mikromilieu ausgestattet zu werden.The supply of nutrients and oxygen in artificial, three-dimensional scaffolds for tissue engineering is a basic prerequisite for the viability of cells cultivated therein. The combination of defined architecture and biomimetic composition are crucial in this context, so that besides the metabolic transport, the adhesion, proliferation, migration and morphology of cells can also be controlled. The use of native extracellular matrix components, such as collagen type I (COL I), as scaffold material is considered optimal for this purpose. However, designing the architecture and providing instructive elements to control cell behavior in COL I-based scaffolds poses special challenges to processing methods due to the mechanical and biochemical properties of COL I. Therefore, the aim of this work was to develop basic procedures to equip modularizable COL I-based membranes with instructive biochemical composition, microarchitectures as initial vascular system, and vascular endothelial growth factor (VEGF) gradients and to characterize the obtained scaffolds with respect to influencing human umbilical vein endothelial cell (HUVEC) growth, orientation, and migration. It was shown that COL I scaffolds can be prepared by Plastic Compression in membrane form and equipped with fibronectin (FN) and hyaluronic acid (HA, with high molecular weight). Incorporation of FN increased HUVEC proliferation, whereas the proliferation rate remained constant with the HA used. Anisotropic microstructures as a basis for a vascular system and for HUVEC orientation were generated by a 3-step process on the COL I membranes. In this process, the microstructure transfer was realized by microstructured polystyrene stamps in a pressure forming process. The obtained microtrenches with widths of 10-40 µm significantly affected the orientation of HUVEC. For the generation of VEGF gradients to control the directional migration of HUVEC, an immersion technique was developed using the model proteins bovine serum albumin and hyaluronidase. This allowed the generation of a linear, gradual concentration gradient of the model proteins on the membrane surface. The developed process could be applied to VEGF with a minimum gradient profile of 3.8-11.8 pg/mm² after immersion in 100 ng/mL VEGF solution. Initial experiments to induce HUVEC migration showed that a successful gradient profile still needs to be found, however. The generated COL I membranes provide a good starting point for the provision of modular, biomimetic tissue engineering scaffolds, with initial vascularization and cell-instructive elements. They also possess the potential to be modified by a variety of bioengineering methods and biochemically equipped to meet the requirements of the cellular microenvironment

Selbstorganisierte nanostrukturierte anodische Oxidschichten auf Titan und TiAl-Legierungen: Morphologie, Wachstum und Dünnschichtanodisation

Nanotechnology is one of the most promising and challenging technologies nowadays and plays a significant role in various fields of science and technology. One specific method used to produce nanostructured materials is anodic oxidation. The anodic oxidation of valve metals, such as aluminium, or titanium leads under certain optimized conditions to growth of highly self- organized nanostructured oxide layers. While the self-organized oxide layers on aluminium are composed of hexagonally arranged nanopores in an alumina matrix the self-organized oxide layers on titanium consist of highly ordered TiO2-nanotubes. In the present work, the differences and similarities of these two configurations are explored by investigating the anodic oxide morphologies on different TiAl-alloys in fluoride containing sulfuric acid electrolytes. Depending on the alloy composition and the anodization voltage the oxide morphology switches from nanopores to nanotubes. The resulting interpore distances/outer tube diameters can be associated with the growth factor of the compact anodic oxide via a simple geometrical correlation. Besides nanopores or nanotubes under certain experimental conditions transitional states of the morphology are obtained. These pore to tube transition is related to the Ti content and the anodization voltage. A detailed investigation of the pore to tube transition indicates that the transition is related to a preferential dissolution of the cell triple points and cell boundaries. This preferential dissolution is assumed to be caused by a fluoride induced sensitization of these regions during the growth of the oxide layers. Other valve metals that show similar self-organized nanostructured anodic oxide layers are zirconium and hafnium. Anodization in ”water-free” organic electrolytes enables the growth of highly ordered self-organized porous oxides, comparable to the anodic alumina case on these metals. The addition of water to the electrolyte results in a pore to tube transition showing distinct transitional states. These states indicate that this transition is caused by preferential dissolution of sensitized cell boundaries. A detailed investigation of the influence of the water concentration on the growth and morphology of TiO2-nanotubes grown in water free organic electrolytes confirms a sensitization of the cell boundaries during anodization and a preferential dissolution of this regions. The present work further demonstrates the anodization of thin metallic Ti layers on various substrates. The influence of different anodization parameters on the morphology and the growth of the TiO2-nanotubes is investigated. Such thin film anodization techniques facilitate coating and functionalization of a given substrate with TiO2-nanotube layers and therefore bear an enormous technological potential. Furthermore these investigations enable a deeper insight into the formation and growth of TiO2-nanotubes. In particular the comparably high volume expansion of the nanotubes compared to the metal and further analytical findings indicate the participation of a flow-mechanism during the growth of TiO2-nanotubes, comparable to the one reported for porous alumina, where the porous oxide formation is related to a plastic flow in the barrier layer that results in the displacement of material towards the cell walls. The results obtained for anodic oxide layers on TiAl-alloys, zirconium and hafnium as well as the findings, related to the influence of H2O on the TiO2-nanotubes in water-free electrolyte systems, can be interpreted in terms of a growth mechanism similar to the flow-mechanism that leads to a sensitization of the cell boundaries during the growth of the anodic oxides. The specific tube morphology is formed as follows: Transport processes within the barrier layer lead to the formation of a fluoride rich layer at the metal/oxide interface. This fluoride rich layer is constantly moved towards the cell boundaries and up the wall by stress induced plastic flow (flow-mechanism) of the oxide. The nanotube morphology is developed as this fluoride rich layer between the cell walls is preferentially dissolved by the electrolyte. A major factor that infuences the formation of nanoporous or nanotubular morphology is therefore the solubility of the fluoride compound in the particular electrolyte system. Investigations on the initiation of the growth reveal that initially a compact anodic oxide layer is formed. Subsequently the layer is penetrated by etching grooves and small pores. These pores transform into nanotubes as the growth by the flow mechanism initiates. Apart from mechanistic studies thin film anodization enables the functionalization of various substrates with TiO2-nanotubes. The technical relevance of the thin film anodization is demonstrated through the fabrication of a fully transparent TiO2-nanotube electrode and the assembly of this electrode into a fully operative electrochromic device.Heutzutage nimmt die Nanotechnologie als eine der chancenreichsten Querschnittstechnologien eine übergeordnete Rolle in vielen Bereichen von Wissenschaft und Technik ein. Die anodische Oxidation von Ventilmetallen, wie Aluminium oder Titan, führt unter bestimmten, optimierten Bedingungen zum Wachstum selbstorganisierter nanostrukturierter Oxidschichten. Während diese selbstorganisierten Oxidschichten auf Aluminium aus hexagonal angeordneten Nanoporen in einer Aluminiumoxidmatrix bestehen, sind die selbstorganisierten Schichten auf Titan aus hochgeordneten TiO2-Nanoröhren aufgebaut. Um die Unterschiede und Gemeinsamkeiten dieser zwei unterschiedlichen Oxidmor-phologien zu erforschen, werden in dieser Arbeit die Morphologien der anodischen Oxide auf verschiedenen TiAl-Legierungen in fluoridhaltigen Schwefelsäure Elektrolyten untersucht. Die Morphologie der Oxide ändert sich in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung und der Anodisationsspannung von einer Nanoporen zu einer Nanoröhrenmorphologie. Die bei unterschiedlichen Spannungen entstehenden Porenabstände bzw. Röhrendurchmesser im TiAl-System sind dabei mit dem Wachstumsfaktor des kompakten anodischen Oxids über einen einfachen geometrischen Zusammenhang verknüpft. Unter bestimmten Bedingungen werden morphologische Übergangsstadien beobachtete. Die Stadien des Übergangs deuten darauf hin, dass dieser durch eine bevorzugte Auflösung von Material an den Zelltripelpunkten und den Zellgrenzen hervorgerufen wird. Als Grund hierfür wird eine fluoridinduzierte Sensibilisierung dieser Bereiche während des Wachstums vermutet. Auf Zirconium und Hafnium werden in „wasserfreien“ organischen Elektrolyten hochgeordnete selbstorganisierte poröse Oxidschichten hergestellt. Durch die Zugabe von Wasser findet bei diesen Materialien während der Anodisation ein Poren Röhren Übergang statt. Die beobachteten Übergangsstadien weisen ebenfalls auf eine an den Zellgrenzen beginnende Separierung in Nanoröhren und damit eine Sensibilisierung der Zellgrenzen während des Wachstums hin. Eine anschließend durchgeführte systematische Untersuchung des Einflusses der Wasserkonzentration bei der Anodisation von Titan in wasserfreien organischen Elektrolytsystemen deutet darauf hin, dass auch im Falle von Reintitan eine Sensibilisierung der Zellgrenzen und eine bevorzugte Auflösung dieser Bereiche stattfindet. Die in dieser Arbeit untersuchte Dünnschichtanodisation ermöglicht die Beschichtung bzw. Funktionalisierung eines beliebigen Substratmaterials mit TiO2-Nanoröhrenschichten und birgt daher ein enormes technologisches Anwendungspotential. Ferner werden durch die Anodisation dünner Titanschichten auf verschiedenen Substraten und den Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Anodisationsparameter auf die Morphologie der Nanoröhren neue Einsichten in das Wachstum der Nanoröhrenschichten ermöglicht. Insbesondere die ungewöhnlich hohen Ausdehnungsraten der TiO2-Nanoröhrenschichten gegenüber dem Metall und weitere analytische Befunde deuten auf die Wirksamkeit eines Flow-Mechanismus, ähnlich dem beim Wachstum von selbstorganisierten porösen Aluminiumoxidschichten beobachteten, hin. Dabei wird das Oxid, durch plastisches Fließen, während des Wachstums vom Porenboden zu den Zellwänden hin verdrängt. Die zuvor vermutete Sensibilisierung der Zellgrenzen in den anodischen Oxidschichten auf TiAl, Zirconium und Hafnium sowie die Befunde zum Einfluss des Wassergehaltes bei der Anodisation von Titan in „wasserfreien“ Elektrolytsystemen lassen sich über einen, diesem Flow-Mechanismus ähnlichen, Wachstumsmechanismus, der zur Sensibilisierung der Zellgrenzen führt, erklären. Die Röhrenmorphologie entsteht hierbei vermutlich wie folgt: Eine aufgrund der Transportprozesse in der Sperrschicht entstehende fluoridreiche Schicht an der Metall/Oxid Grenzfläche wird durch den plastischen Fluss (Flow-Mechanismus) des Oxides an die Zellgrenzen verdrängt. Durch die bevorzugte Auflösung dieser Schicht entsteht die Nanoröhrenmorphologie. Hierbei hängt das Auftreten der Nanoporen- oder Nanoröhrenmorphologie zu einem großen Teil von der Löslichkeit der Fluorid-verbindung im jeweiligen Elektrolytsystem ab. Untersuchungen zur Initiierung des Wachstums deuten darauf hin, dass zu Anfang eine kompakte anodische Oxidschicht entsteht, die im Laufe der weiteren Anodisation von Löchern und Poren, die durch chemische Auflösung entstehen, durchdrungen wird. Diese Poren gehen beim Übergang des Flow basierten Wachstums in Nanoröhren über. Neben den mechanistischen Studien ermöglicht die Dünnschichtanodisation auch eine substratunabhängige Funktionalisierung von Oberflächen mit TiO2-Nanoröhrenschichten. Die technische Relevanz der Dünnschichtanodisation wird abschließend am Beispiel der Herstellung einer vollständig transparenten TiO2-Elektrode für den Einsatz in einem elektrochromen Modul gezeigt

Postoperative sepsis in infants below 6 months of age

Background: Sepsis is a threatening postoperative complication especially in small infants. Regarding the advances in perinatal medicine, its incidence is unknown to date. We aimed to investigate the incidence, risk factors, laboratory findings and outcome of postoperative sepsis in infants younger than 6 months old. Methods: We examined postoperative sepsis in babies below 6 months of age during a 4-year period at a tertiary pediatric institution. Results: The rate of postoperative sepsis was 6.9%. Laparotomy with enterotomy, thoracotomy and diaphragmatic hernia repair (P<0.05, respectively) as well as low postnatal age and long operation time (P<0.001, respectively) were correlated with the incidence of sepsis. Significant independent predictors for the development of sepsis were the presence of a central venous catheter and perioperative antibiotic treatment (P<0.001, respectively). Coagulase negative Staphylococci were the major infecting organism associated with postoperative sepsis, accounting for 53% of monomicrobial infections. Complete blood counts with differential were not different between infants with sepsis and controls, who had undergone the same surgical procedures. Outcome was favorable in all cases; however, the length of hospital stay was significantly longer in sepsis patients (P<0.05). Conclusions: Postoperative sepsis syndrome is a frequent complication in infants below 6 months of age and causes significant prolongation of hospital stay. Adequate prevention and therapeutic strategies warrant further prospective investigation

Geometric phases in superconducting qubits beyond the two-level-approximation

Geometric phases, which accompany the evolution of a quantum system and depend only on its trajectory in state space, are commonly studied in two-level systems. Here, however, we study the adiabatic geometric phase in a weakly anharmonic and strongly driven multi-level system, realised as a superconducting transmon-type circuit. We measure the contribution of the second excited state to the two-level geometric phase and find good agreement with theory treating higher energy levels perturbatively. By changing the evolution time, we confirm the independence of the geometric phase of time and explore the validity of the adiabatic approximation at the transition to the non-adiabatic regime.Comment: 5 pages, 3 figure