Passives und aktives mechanisches Verhalten von Arterien

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 Karotis-Endarteriektomie behandelt werden, um Herzinfarkt und Schlaganfall zu verhindern. Detaillierte Kenntnisse über ihr mechanisches Verhalten können die präoperative Planung dieser Therapien erheblich verbessern. So 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. Unsere Herangehensweise beinhaltet eine ganzheitliche experimentelle Untersuchung des passiven und aktiven Verhaltens von Koronar- und Karotisarterien. Dies wird durch passive und aktive ein- und zweiachsige Dehnungsversuche an intakten und geschnittenen Proben sowie durch Inflationsversuche an intakten Arteriensegmenten erreicht. Des Weiteren 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. Schließlich 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 geeignete Materialgesetze, welche die Aktivierung der glatten Muskulatur in diesen Arterien berücksichtigt, sind sehr spärlich und nur auf eine einzige Stelle in diesen Arterien und nur auf einfache Streifentests beschränkt. Darüber hinaus berücksichtigen die meisten biomechanischen Studien und Materialgesetze in ihren Computersimulationen nur das passive und nicht das aktive Verhalten der Arterien. Die Bearbeitung des Projektes findet am Institut für Biomechanik der Technischen Universität Graz in Österreich in Kooperation mit dem Institut für Mechanik und Adaptronik der Technischen Universität Braunschweig in Deutschland statt.