Nanostruktur von Humanarterien unter Zug mit TR-SAXS

Die Nanostruktur von humanen Arterien und ihre Veränderung unter Belastung ist die Voraussetzung für das Verständnis ihrer mechanischen Funktion im menschlichen Körper. In diesem Projekt möchten wir Röntgenkleinwinkelstreuung mit Synchrotron Strahlung einsetzen, um diese nanostrukturellen Änderungen in situ für verschiedene Humanarterien (Aorta, Koronarien, Carotis) in Abhängigkeit ihres Schichtaufbaues (Intima, Media, Adventitia) zu untersuchen. Die mechanische Steifigkeit einer Arterie ist in erster Linie durch den Anteil und die Orientierung der Kollagenfasern in den verschiedenen Schichten gegeben. Kollagenmoleküle sind durchschnittlich 300 nm lang und besitzen einen Durchmesser von 1.4 nm. Der interne Aufbau dieser Kollegenmoleküle ist hoch geordnet und die sich wiederholenden Strukturen mit einer Distanz von 67 nm in Längsrichtung sind durch Röntgendiffraktionsexperimente bestimmbar. Damit ist es möglich, detaillierten Aufschluss über die Längsdehnung des Moleküls in sich als auch über die Ausrichtung des Faserkollektivs im Gewebsverband zu erlangen. Zusammen mit dem makroskopisch gemessenen Spannungs-Dehnungs-Verlauf ermöglicht diese Information eine weitreichende Verbesserung der physikalischen (konstitutiven) und computerisierten Modelle für Arterienwände. Ein weiterer Arbeitsbereich innerhalb dieses Projektes ist die Implementierung dieser Modelle in ein "Finite"- Elemente Programm, um die experimentellen Resultate zu simulieren und komplexe Randwertprobleme zu lösen. Diese rechnergestützten Werkzeuge finden direkte Anwendungen in der medizinischen Koronar-Angioplastie (Arterienaufdehnung der Herzkranzgefäße durch mechanische Ballons), weil sie dem Arzt eine Simulation und Optimierung des Eingriffes erlauben. Des weiteren ist das gewonnene Wissen über den mechanobiologischen Prozess von fundamentaler Bedeutung für das Design von künstlichen Geweben in der Medizin - ein Bereich, der mittlerweile große industrielle Bedeutung erlangt hat. Auch hier ist die Identifikation der relevanten Struktur und ihrer mechanischen Eigenschaften eine Grundvoraussetzung. Der Erfolg basiert primär auf der Kenntnis der nano- und mikro-strukturellen Struktur und der Biomechanik des nativen Gewebes.

Die Nanostruktur von humanen Arterien und ihre Veränderung unter Belastung ist die Voraussetzung für das Verständnis ihrer mechanischen Funktion im menschlichen Körper. In diesem Projekt möchten wir Röntgenkleinwinkelstreuung mit Synchrotron Strahlung einsetzen, um diese nanostrukturellen Änderungen in situ für verschiedene Humanarterien (Aorta, Koronarien, Carotis) in Abhängigkeit ihres Schichtaufbaues (Intima, Media, Adventitia) zu untersuchen. Die mechanische Steifigkeit einer Arterie ist in erster Linie durch den Anteil und die Orientierung der Kollagenfasern in den verschiedenen Schichten gegeben. Kollagenmoleküle sind durchschnittlich 300 nm lang und besitzen einen Durchmesser von 1.4 nm. Der interne Aufbau dieser Kollegenmoleküle ist hoch geordnet und die sich wiederholenden Strukturen mit einer Distanz von 67 nm in Längsrichtung sind durch Röntgendiffraktionsexperimente bestimmbar. Damit ist es möglich, detaillierten Aufschluss über die Längsdehnung des Moleküls in sich als auch über die Ausrichtung des Faserkollektivs im Gewebsverband zu erlangen. Zusammen mit dem makroskopisch gemessenen Spannungs-Dehnungs-Verlauf ermöglicht diese Information eine weitreichende Verbesserung der physikalischen (konstitutiven) und computerisierten Modelle für Arterienwände. Ein weiterer Arbeitsbereich innerhalb dieses Projektes ist die Implementierung dieser Modelle in ein "Finite"- Elemente Programm, um die experimentellen Resultate zu simulieren und komplexe Randwertprobleme zu lösen. Diese rechnergestützten Werkzeuge finden direkte Anwendungen in der medizinischen Koronar-Angioplastie (Arterienaufdehnung der Herzkranzgefäße durch mechanische Ballons), weil sie dem Arzt eine Simulation und Optimierung des Eingriffes erlauben. Des weiteren ist das gewonnene Wissen über den mechanobiologischen Prozess von fundamentaler Bedeutung für das Design von künstlichen Geweben in der Medizin - ein Bereich, der mittlerweile große industrielle Bedeutung erlangt hat. Auch hier ist die Identifikation der relevanten Struktur und ihrer mechanischen Eigenschaften eine Grundvoraussetzung. Der Erfolg basiert primär auf der Kenntnis der nano- und mikro-strukturellen Struktur und der Biomechanik des nativen Gewebes.