Modellierung von Aortenklappen
Ein Ansatz zur mikro- bis makrostrukturellen Modellierung des Materialverhaltens (micro-to-macro material and structural modelling, MMS) eignet sich effektiv zur Analyse von Biomaterialien und Biosystemen. Hierfür optimiert das Projekt Multiscale Biomech (Multiscale Micro-to-Macro Material and Structural Models for Aortic Heart Valves: Native, Porcine and Prosthetic Valves) existierende MMS-Modelle für den Einsatz an Aortenklappengewebe (aortic valve, AV) und umliegenden Strukturen. Unterstützt durch neue Komponenten und deren Integration auf Mikroebene sollen mechanische Analysen Aufschluss über die AV-Struktur auf Makroebene liefern. Das EU-finanzierte Projekt befasst sich mit der analytischen und rechnerischen Modellierung nativer und künstlicher Aortenklappensysteme. Zuvor sind allerdings verschiedene analytische und numerische Aufgaben zu lösen – eine der Zielstellungen des Projekts – um realistische, aussagefähige Modelle für gesunde und pathogene native Aortenklappen zu entwickeln. Bislang konzentrierte man sich auf die Entwicklung nicht-linearer mikromechanischer Modelle für Gewebematerial für skalenübergreifende Finite-Elemente-Analysen. Damit soll In-vitro- und In-vivo das mechanische Verhalten von Aortenklappen unter Belastung untersucht werden. Ein weiterer Schwerpunkt war die Verifizierung einer Reihe von Eigenschaften des Aortenklappen-Systems. Das Projektteam analysiert mit digitalen Korrelationsverfahren, inwieweit sich AV-Gewebe unter bestimmten Bedingungen verformt. Um Materialien und Strukturen skalenübergreifend analysieren zu können, wurde die hochauflösende Methode der Zellen HFGMC (High Fidelity Generalized Method of Cells) von den Forschern neu formuliert. LHFGMC ist ein mikromechanisches Modellsystem zur effizienten Berechnung des Materialverhaltens in mehrphasigen Strukturen. An einem 3D-Modell wurde die Durchflussgeschwindigkeit in einer verengten linken Koronararterie (LCA) in nekrotischem Gewebe simuliert. In den verschiedenen Sektoren der LCA-Wand wurden signifikante Veränderungen in der Stressverteilung festgestellt, wobei der größte Stress an der LCA-Öffnung entstand. Das neue mikromechanische Modell ermöglicht eine stärker praxisorientierte Modellierung mit homogenem Ablagerungsmaterial. Die Methode lässt Aussagen über die Gesamtstressbelastung und die Verteilung von Fluss-induziertem Stress zu. Die Ergebnisse des Projekts werden die Entwicklung bildgebender Verfahren vorantreiben, mit speziellem Fokus auf internen Gewebeparametern, die für die Diagnose von AV-Erkrankungen besonders wichtig sind. Im Rahmen des Projekts ist weiterhin geplant, die Ergebnisse für die Entwicklung eines neuartigen Simulationswerkzeugs zu nutzen, um native AV-Systeme eingehender analysieren und künstliche AV-Systeme verbessern zu können.
