Biaxiale Zug- und triaxiale Scherversuche und Modellierung des menschlichen Myokards

Auf dem multidisziplinären Gebiet der Herzforschung ist es von höchster Wichtigkeit, für die Untersuchung von Phänomenen wie dem "Mechano-elektrischen Feedback" oder der Herzwandverdickung, die Materialeigenschaften des Myokards genau zu identifizieren. Ein rationales Materialmodell ist notwendig, um die ausgeprägt nichtlineare Mechanik der komplexen Strukturen des menschlichen Myokards verstehen zu können. Zurzeit sind gar keine experimentellen Versuchsdaten über das menschliche Herzgewebe verfügbar, um Materialparameter abschätzen und ein adäquates konstitutives Modell entwickeln zu können. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist deshalb die biaxialen Zug- und triaxialen Schereigenschaften des passiven menschlichen Myokards zu bestimmen. Darüber hinaus wird die zugrunde liegende Mikrostruktur des Myokardgewebes untersucht und existierende Materialmodelle an den experimentellen Versuchsdaten angepasst. Bemerkenswert ist, dass der einzig durchgeführte wahre biaxiale Zugversuch des Myokardgewebes mehr als 23 Jahre zurückliegt, und nur ein einziges Scherexperiment mit Myokardgewebe in der Literatur existiert. In dieser Studie werden mittels modernster Versuchsapparaturen planare biaxiale Zugtests durchgeführt, um die biaxialen Zugeigenschaften des linken und rechten menschlichen passiven Myokards zu bestimmen. Die Schereigenschaften des Myokards werden mittels triaxialen Schertests an würfelförmigen Proben, welche aus der Nachbarregion der biaxialen Proben stammen, untersucht. Ein mit einem Universaldrehtisch ausgestattetes Polarisationsmikroskop ermöglicht die Untersuchung der drei-dimensionalen Mikrostruktur. Der Fokus liegt dabei auf der Bestimmung der 3D Orientierung sowie der Verteilung der Muskelfasern und der angrenzenden Kollagennetzwerken. Die neuartige Kombination von biaxialen Testdaten (mit verschiedenen Belastungsprotokollen der beiden Achsen) und Schertestdaten (an Proben mit verschiedenen Orientierungen) ermöglicht eine adäquate Erfassung des richtungsabhängigen Materialverhaltens. Aus diesem kompletten Satz von mechanischen Daten, kombiniert mit den Struktur-Daten, lässt sich ein neuartiges besseres Materialmodell samt zugehörigen Materialparametern für die Beschreibung des mechanischen Verhaltens des menschlichen Myokards definieren. Mithilfe dieser Modelle können numerische (finite Elemente) Simulationen durchgeführt werden, welche ein besseres Verständnis grundlegender Mechanismen der Herzwandmechanik ermöglichen. Dies ist ein weiterer notwendiger Schritt, um Behandlungsmöglichkeiten von Herzkrankheiten verbessern zu können. Desweiteren führt die mechanische Charakterisierung des passiven menschlichen Myokards zu einem besseren Verständnis der Deformation des Herzens während eines Herzzyklus und warum krankhafte / ischämische Herzregionen ihre Pumpfähigkeit einbüßen. Genaue Computersimulationen der mechanischen Funktion des Herzens können weiter genutzt werden, um neue chirurgische Eingriffsverfahren zur Wiederherstellung der Herzfunktion nach einem Herzinfarkt zu testen.

Um auf dem multidisziplinären Gebiet der Herzforschung Phänomene wie dem mechano-elektrischen feedback oder der Herzwandverdickung erforschen zu können, ist es von höchster Wichtigkeit die Materialeigenschaften des Herzmuskels (Myokard) genau zu kennen. Des Weiteren ist ein rationales Materialmodell notwendig, um die ausgeprägt nichtlineare Mechanik der komplexen Strukturen des menschlichen Myokards verstehen zu können. Das Projekt Biaxiale Zug- und triaxiale Scherversuche und Modellierung des menschlichen Myokards hatte deswegen zum Ziel, die Materialeigenschaften des passiven menschlichen Myokards mit Hilfe von realistischen biomechanischen Experimenten zu bestimmen. Darüber hinaus wurde die zugrunde liegende Mikrostruktur des Myokardgewebes untersucht, und existierende Materialmodelle an die experimentellen Versuchsdaten angepasst. Interessanterweise waren vor diesem Projekt keine experimentellen Versuchsdaten über das menschliche Herzmuskelgewebe verfügbar um Materialparameter bestimmen und ein geeignetes Materialmodell entwickeln zu können. Im Einzelnen wurden im Zuge dieses Projektes sowohl Materialeigenschaften durch planare biaxiale Zugtests ermittelt, als auch richtungsabhängige Schereigenschaften des Myokards durch triaxiale Schertests identifiziert. Hierzu wurden mehr als 30 menschliche Herzproben, aus linker und rechter Herzhälfte stammend, untersucht. Durch die neuartige Kombination aus Multiphotonenmikroskopie und sogenanntes optical tissue clearing konnte die drei-dimensionale Mikrostruktur des Myokards zerstörungsfrei und mit hoher Auflösung abgebildet werden. Der Fokus lag dabei auf der Bestimmung der 3D Orientierung, sowie der Verteilung der Herzmuskelfasern und der angrenzenden Kollagennetzwerke. Die neuartige Kombination von biaxialen Testdaten (mit verschiedenen Belastungsprotokollen der beiden Achsen) und Schertestdaten (an Proben mit verschiedenen Orientierungen) ermöglichte eine adäquate Erfassung des richtungsabhängigen Materialverhaltens. Aus diesem Satz von mechanischen Daten, die mit den Strukturdaten kombiniert wurden, konnte ein neuartiges Materialmodell samt zugehörigen Materialparametern für die Beschreibung des mechanischen Verhaltens des menschlichen Myokards definiert werden. Mithilfe dieses Modells können nun realistische Computersimulationen durchgeführt werden welche ein besseres Verständnis der grundlegenden Mechanismen der Herzwandmechanik ermöglichen. Dies ist ein weiterer notwendiger Schritt um Behandlungsmöglichkeiten von Herzkrankheiten verbessern zu können. Zum Beispiel können genaue Computersimulationen der mechanischen Funktion des Herzens genutzt werden um neue chirurgische Eingriffsverfahren zur Wiederherstellung der Herzfunktion nach einem Herzinfarkt zu testen. Desweiteren führt die mechanische Charakterisierung des passiven menschlichen Myokards zu einem besseren Verständnis der Deformation des Herzens während eines Herzzyklus und kann zu Erkenntnissen führen, weshalb krankhafte / ischämische Herzregionen ihre Pumpfähigkeit einbüßen.