Experimentelle Untersuchungen und Modellierung von biohybriden Herzklappen inklusive Gewebereifung – von in vitro zu in situ Tissue Engineering

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Stefan Jockenhövel; Professorin Dr.-Ing. Stefanie Reese
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Mechanik ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403471716

Die Langzeitfunktion von Biohybrid-Implantaten (z. B. Herzklappen) hängt maßgeblich von der Qualität und Quantität der produzierten extrazellulären Matrix (ECM) ab. Die ECM muss eine langfristige strukturelle Unterstützung bieten, um einer Vielzahl von mechanischen Belastungszyklen (90.000 Öffnungs- und Schließvorgänge der Herzklappe pro Tag) standzuhalten. Verschiedene Herstellungsansätze (in vitro, in situ und perioperativ) werden propagiert, um eine optimale ECM-Produktion zu erreichen. Die Integration einer belastungsorientierten Textilstruktur in das Implantat dient während des Herstellungsprozesses als (i) biomimetische Verstärkung und (ii) als Orientierung für das ECM Wachstum. Die Bewertung der optimalen Balance zwischen lasttragender Verstärkung und verbleibenden biomechanischen Reizen auf die ECM, um eine Orientierung in Lastrichtung zu bewirken, ist empirisch kaum möglich. Daraus ergibt sich ein Bedarf nach geeigneten Modellen, um das Implantat unter in vitro und in vivo Bedingungen zu simulieren und die Entwicklung weiter zu unterstützen. Ziel dieses Projektes ist es, das im Vorgängerprojekt entwickelte Simulations- und Modellierungswerkzeug zu erweitern, um das mechanische Verhalten von biohybriden Herzklappenimplantaten während des gesamten in-vitro- und in-vivo Reifungsprozesses genau vorherzusagen. Darüber hinaus soll die Degradation und Schädigung über viele Lastzyklen nach der Implantation modelliert werden. Durch schrittweises Einbeziehen der Ergebnisse der Teilprojekte P1 (Hydrogelmaterial), P2 (mechanische Eigenschaften von Scaffolds), P6 (Degradationsverhalten des Materials) und P7 (textile Verstärkung) unterstützt das Modell das Produktdesign (hinsichtlich der technischen Konfiguration der textilen Verstärkung). Es wird Einblicke in den komplexen Wachstums- und Umbauprozess generieren und damit die Optimierung des Biohybridimplantats für alle Kultivierungsmethoden unterstützen. Die Validierung des Simulationswerkzeugs erfolgt durch einen Tierversuch in einem großen Tiermodell, in dem alle drei Herstellungsmethoden evaluiert werden. Die Validierung ist besonders wichtig, um die Langzeitschäden der Herzklappe zu untersuchen (TexValve).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen