ProcessModelling - Prozessorientiertes Reifungsmodell der biohybriden Herzklappe im Bioreaktor

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Thomas Schmitz-Rode; Professorin Dr.-Ing. Heike Vallery, seit 9/2024; Professor Dr. Marc van Zandvoort
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403043858

Biohybride tissue-engineerte Herzklappen (TEHV) sind ein vielversprechender Ansatz auf dem Gebiet des Herzklappenersatzes. Sie bestehen aus einem textilen Gerüst, das mechanische Festigkeit bietet. Das Gerüst ist bedeckt mit patienteneigenen, in ein Hydrogel eingebetteten Zellen, die sich regenerieren und an ihre Umgebung anpassen können. Der Reifungsprozess solcher TEHV findet in einem Bioreaktor statt, in dem die Herzklappe von einem pulsierenden Fluss von Kulturmedien durchströmt wird. Dieser Prozess beinhaltet komplexe Dynamiken, die nicht nur von den auf die Herzklappe einwirkenden äußeren Reizen, sondern auch von den individuellen Wachstumsparametern der verwendeten gewebebildenden Zellen abhängt. Langfristiges Forschungsziel ist daher die robuste und adaptive Regelung des individuellen Reifungsprozesses zur Herstellung von biokompatiblen und belastbaren Implantaten. Für ein solches Regelungskonzept müssen die Dynamiken des Reifungsprozesses bekannt sein. In Phase I dieses Projekts haben wir die wichtigsten Beziehungen zwischen Eingangs-, Zustands- und Ausgangsgrößen des Prozesses identifiziert. Darauf aufbauend haben wir ein mathematisches Modell der Gewebereifung erstellt, das die Entwicklung der Zellzahl und der extrazellulären Matrix beinhaltet, repräsentiert durch die Proteine Kollagen und Elastin, die entscheidend für die Architektur und mechanischen Eigenschaften der Herzklappensegel sind. Für die Modellvalidierung wurde ein Bioreaktorsystem für automatisierte, damit reproduzierbare und vergleichbare Reifungsexperimente etabliert, einschließlich Multiphotonen-Endoskopie zur zerstörungsfreien und longitudinalen Gewebebeobachtung. Es wurden Experimente durchgeführt, um Prozesswissen zu gewinnen und unser Modell zu validieren. In der PAK-Phase-II wird sich der Fokus von der reinen Steuerung des Reifungsprozesses von TEHV hin zur Regelung bewegen. Basierend auf den in Phase I gewonnenen Erkenntnissen wird der Bioreaktoraufbau um zusätzliche Regelkonzepte erweitert (WP1). Für die Online-Beobachtung der Zustandsvariablen werden Zwei- Photonen-Endoskopie Bildakquisitions- und Datenanalyseroutinen implementiert (WP2). Mit den Ergebnissen aus Phase I zum mathematischen Modell des Reifungsprozesses, dem neu entwickelten Bioreaktor, der Implementierung der Zwei-Photonen- Endoskopie und der bildbasierten Analyse der Reifung wird eine modellbasierte Regelung für den Prozess etabliert (WP3). Diese Verbesserungen werden iterativ durch weitere Reifungsexperimente getestet und Daten für die Prozessvalidierung erhoben (WP4). Mit diesem Projekt erlangen wir ein explizites Verständnis der Regelung des Reifungsprozesses von TEHV für eine robuste Produktion dieser Implantate unter Berücksichtigung der individuellen Gewebereifung. Die gewonnenen Erkenntnisse sind auch auf andere biohybride Konstrukte übertragbar, wie z. B. tissue-engineerte vaskuläre Transplantate und Patches sowie andere nicht-kardiovaskuläre Biohybrid-Implantate.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Abel, bis 8/2024