Experimentelle Charakterisierung und Modellierung der passiven und aktiven Eigenschaften von Koronar- und Karotisarterien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Böl
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 551928148

Atherosklerose der Koronar- oder Karotisarterien ist die Hauptursache für Sterblichkeit und Behinderung in den Industrienationen. Beide Arterien sind von großem biomedizinischen und klinischen Interesse, da sie anfällig für Atherosklerose sind und häufig mit Ballonangioplastie, Stenting oder Karotisendarteriektomie behandelt werden, um Herzinfarkt und Schlaganfall zu verhindern. Unsere Hypothese ist, dass detaillierte Kenntnisse über ihr mechanisches Verhalten die präoperative Planung dieser Therapien erheblich verbessern können, z. B. kann eine patientenspezifische Finite-Elemente-Analyse verwendet werden, um das Verfahren der Ballonangioplastie und des Stentings zu simulieren und die Wahl der Ballon- und Stentgeometrie zu optimieren. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass Spannungen und Belastungen von Zellen und Geweben die Entwicklung von atherosklerotischen Läsionen beeinflussen. Daher werden dreidimensionale mechanische Modelle der Arterie benötigt, um die Verteilung von Spannungen und Dehnungen in der Gefäßwand zu analysieren. Die meisten biomechanischen Studien und konstitutiven Modelle berücksichtigen jedoch nur das passive und nicht das aktive Verhalten von Arterien in ihren Computersimulationen. Unser Ansatz beinhaltet eine ganzheitliche experimentelle Untersuchung des passiven und aktiven Verhaltens von Koronar- und Karotisarterien, die aus Schweinen gewonnen werden. Dies wird durch passive und aktive ein- und zweiachsige Dehnungsversuche an intakten und geschnittenen Proben sowie durch Dehnungs-Inflationsversuche an intakten Arteriensegmenten erreicht. Zweitens wird die zugrunde liegende Mikrostruktur, die für die mechanischen Eigenschaften der getesteten Arteriengewebe verantwortlich ist, durch histologische Untersuchungen von Kollagen, Elastin und glatten Muskelzellen charakterisiert. Drittens wird auf der Grundlage dieser Daten ein dreidimensionales Modell entwickelt, das in der Lage ist, neben dem passiven Verhalten dieser wichtigen Arterien auch das aktive Muskelkontraktionsverhalten zu beschreiben und vorherzusagen, und das anhand des umfangreichen Datensatzes kalibriert und validiert wird. Vorhandene experimentelle Daten und ein geeignetes Materialmodell, das die Aktivierung der glatten Muskulatur in diesen Arterien berücksichtigt, sind sehr spärlich und auf eine einzige Stelle in diesen Arterien und nur auf Streifentests beschränkt. Zudem berücksichtigen die meisten biomechanischen Studien und konstitutiven Modelle nicht das aktive Verhalten der Arterien. Die Kombination der Expertise der beiden Antragsteller an der Technischen Universität Graz (Österreich) und der Technischen Universität Braunschweig (Deutschland) ist erstens notwendig, um alle Aufgaben des vorgeschlagenen Projekts zu bewältigen, und wird zweitens die Entwicklung eines einzigartigen dreidimensionalen aktiven Materialmodells dieser beiden wichtigen Arterien ermöglichen, was derzeit mit den in der Literatur verfügbaren Daten nicht möglich ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Kooperationspartner: Dr. Gerhard Sommer