Reduzierung von Thrombogenität durch Oberflächenstrukturierung - Eine kombinierte In-silico- und In-vitro-Studie

• Antragstellerin: Dr. Johanna Clauser
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490779571

Die Behandlung kardiovaskulärer Erkrankungen umfasst u.a. Herzklappenprothesen, Herzunterstützungspumpen, Grafts oder Stents. All dies sind blutführende Medizinprodukte. Ihre Hämokompatibilität stellt nach wie vor die größte Herausforderung in der Entwicklung da. Eine unzureichende Hämokompatibilität kann zum Versagen des Produkts, Thrombenbildung und dadurch zum Tod des Patienten führen. Beim Kontakt eines körperfremden Materials mit Blut wird eine Fremdkörperreaktion ausgelöst: Proteine lagern sich auf dem Material ab und die Gerinnungskaskade wird initiiert, was zu Gerinnung und Thrombenbildung führt. Dem kann mit Antikoagulantien zwar entgegengewirkt werden, diese bergen jedoch das Risiko schwerer Blutungen. Die Verbesserung hämokompatibler Materialen ist daher der Schlüssel für bessere und sicherere Medizinprodukte. Oberflächenstrukturen im Mikro-/Nanometerbereich sind in den letzten Jahren immer mehr in den Fokus gerückt, da sie einen biomimetischen Ansatz zur Verbesserung der Hämokompatibilität bieten. Allerdings sind die Ergebnisse hinsichtlich effektiver Strukturen und Geometrien bislang unvollständig und teils widersprüchlich, sodass der Einfluss von Strukturen im Blutkontakt noch unklar ist.Im Rahmen von ThromboSurf wird der Zusammenhang zwischen Thrombozyten und Oberflächenstrukturen mit speziellem Fokus auf den hämodynamischen Effekten der Strukturen untersucht. Die Hypothese ist, dass die Thrombogenität von Fremdoberflächen reduziert wird, indem die Adhäsion von Thrombozyten durch veränderte Flussbedingungen an den Oberflächen kontrolliert wird. Das Ziel des Projekts ist daher, mittels Kombination aus In-vitro- und In-silico-Methoden die Interaktion zwischen Thrombozyten und strukturierten Oberflächen zu untersuchen. Um eine Korrelation zwischen Veränderungen der Hämodynamik durch Strukturen und der resultierenden Aktivierung und Anlagerung von Thrombozyten zu ziehen, werden wir numerische Strömungssimulation (CFD) und Partikel-basierte Thrombozytenmodelle, sowie Echtzeit-Bildungsverfahren und In-vitro-Blutversuche entwickeln und anwenden. Das in-silico Model wird anhand der experimentellen Daten iterativ verbessert und validiert, bis es präzise Vorhersagen über die Thrombozyten-Struktur-Reaktion treffen kann. Anschließend wird das Modell genutzt, um eine Vielzahl unterschiedlicher Strukturen in Kontakt mit Blut zu simulieren und somit eine bisher einmalige Datenbank mit Oberflächeneigenschaften und Thrombozytenreaktion anzulegen. Eine Auswahl an Strukturen wird im Folgenden erneut in vitro untersucht, um die numerischen Vorhersagen zu prüfen und schlussendlich zu validieren. Zusätzlich wird der Einfluss komplexer Strömungsbedingungen, wie beispielsweise Pulsatilität und Turbulenzen sowohl numerisch als auch experimentell untersucht, da diese regelmäßig in blutführenden Medizinprodukten auftreten. Auf Basis dieser Ergebnisse können zukünftig so verbesserte Medizinprodukte und eine bessere Patientenversorgung gewährleistet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Mitverantwortlich: Dr. Michael Neidlin
• Kooperationspartner: Professor Dr. Franck Nicoud