Entwicklung von experimentellen und numerischen Modellen der Plättchenanlagerung

• Antragsteller: Dr.-Ing. Ulrich Kertzscher
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257850537

Ziel des Projektes ist es, die Anlagerung von Blutplättchen unter Strömungseinfluss als den Beginn einer Thrombenbildung zu charakterisieren. Die Thrombenbildung ist ein großes Problem bei Kreislauferkrankungen. Die Thrombenbildung tritt aber nicht nur in natürlichen Blutgefäßen auf, sondern auch in Implantaten wie Gefäßprothesen, Stents, Herzklappen und Herzunterstützungssystemen, so dass die Patienten gefährdet werden. Mit zwei Modellen, der ebenen Couette-Strömung und der Staupunktströmung, soll die Plättchenanlagerung experimentell untersucht werden. Dazu werden numerische Modelle entwickelt. Es soll folgendes Ziel erreicht werden: die Entwicklung eines auf experimentellen Daten beruhenden numerischen Modells, mit dem der Ingenieur die Thrombogenität eines Implantats abschätzen und dem entsprechend optimieren kann. Aktuelle Veröffentlichungen zeigen, dass in der internationalen Literatur die Bedeutung der Strömung bei der Plättchenanlagerung und Thrombenbildung für aktuell und wichtig gehalten wird. Es werden numerische Modelle vorgestellt, es herrscht aber ein Mangel an experimentellen Ergebnissen. Die Hypothese lautet, dass die Ergebnisse der experimentellen Modelle auch bei komplexen Strömungen sehr gut mit dem numerischen Modell simuliert werden können. Für letzteres wird die Monte Carlo Methode angewendet. Das Modell basiert auf einem CFD-generierten Geschwindigkeitsfeld, dem die Diffusionsbewegung der Plättchen überlagert wird. Dabei werden die Konvergenzprobleme der Kontinuumsmodelle vermieden und die Anzahl der Modellparameter ist beschränkt. Letztere sind experimentell überprüfbar. Das Problem soll auf der Basis der Virchow'schen Trias untersucht werden. Nach Virchow bestimmen die drei Parameter Bluteigenschaft, Wandeigenschaft und Strömung die Bildung eines Thrombus, der mit der Anlagerung von Plättchen seinen Anfang hat. Die experimentellen Modelle sind so gewählt worden, dass Bluteigenschaft, Wandeigenschaft und Strömung getrennt untersucht und im Hinblick auf die Thrombogenese geprüft werden können. Bei den experimentellen Modellen werden die Bewegung und die Anhaftung von Plättchen aus humanem Vollblut fluoreszenzmikroskopisch erfasst. Es entstehen Bildserien, die mit den Methoden der Bildverarbeitung ausgewertet werden. Das numerische Modell simuliert die Transportvorgänge, die die Plättchen an die künstliche Oberfläche herantragen, mit der sie reagieren können. Die Reaktion des Plättchens mit der Wand - die Anlagerung - wird als stochastischer Prozess verstanden, der auf einzelnen Wahrscheinlichkeiten basiert, die miteinander multipliziert die Anlagerungswahrscheinlichkeit ergeben. Letztere treten an die Stelle der sonst angewandten Reaktionsrate. Die Anlagerungswahrscheinlichkeit ist eine messbare Größe und kann abhängig von Plättchenaktivierung, Wandeigenschaft und Strömung experimentell bestimmt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Personen: Professor Dr.-Ing. Klaus Affeld (†); Privatdozent Dr. Christoph Sucker