Arterienwände unter supraphysiologischen Lasten

Dieses Forschungsprojekt behandelt die Analyse und die Modellierung von traumatischen Degenerationen von überdehnten Arterienwänden wie sie während therapeutischer Eingriffe auftreten. Die Datenbasis für die qualitative und quantitative Beschreibung des arteriellen Gewebes wird aus biaxialen Zugversuchen an den einzelnen Gewebekomponenten der einzelnen Arterienschichten gewonnen, bei denen Belastungen weit über dem physiologischen Bereich untersucht werden. Derartige Experimente ermöglichen die Analyse des makroskopischen mechanischen Antwortverhaltens des Gewebes. Zusätzlich sollen strukturelle Analysetechniken wie Fourier- Transformations Infrarot und Rasterelektronenmikroskopie zur Studie des Schädigungsverhaltens auf der Mikroskale herangezogen werden. Das makromechanische Verhalten der faserverstärkten Gewebe soll dann durch eine Formulierung beschrieben werden, welche auf mikroskopischen Modellen basiert, die die individuellen Komponentencharakterisieren. Diese Modelle legen Veränderungen von stochastischen Verteilungen von Fasereigenschaften infolge Gewebeüberdehnungen zu Grunde. Um eine quantitative Vorhersage für das Materialverhalten zu ermöglichen, sollen die Modellparameter mit Hilfe einer Kleinstes-Fehlerquadrat- Minimierung an die experimentellen Ergebnisse angepasst werden. Schlussendlich werden die Modelle durch den Vergleich einer Finite-Element-Berechnung mit Experimenten an ganzen Arteriensegmenten validiert.

Dieses Forschungsprojekt beschäftigte sich mit der Analyse und Modellbildung von traumatischen Veränderungen von überdehnten Arterienwänden wie sie bei therapeutischen Eingriffen vorkommen. Zum Beispiel werden Eingriffe wie die Angioplastie durchgeführt um atherosklerotische Gefäßverengungen aufzudehnen und damit die Blutversorgung von Organen zu gewährleisten. Dieses invasive Verfahren beinhaltet die Aufdehnung der Engstelle mittels Katheters mit dem Ziel die ursprüngliche Gefäßdimension wieder zu erlangen. Allerdings ist für dieses Verfahren ein viel größerer Druck nötig, als der physiologische Blutdruck. Dadurch werden mikroskopische Gewebsschädigungen verursacht, die zu einer spannungsinduzierten Erweichung des kollagenen Gewebes führt.Für die qualitative und quantitative Beschreibung der arteriellen Gewebe wurde eine Datenbasis erstellt, die auf einachsigen und zweiachsigen verschiebungsgesteuerten Tests basiert. Dafür wurden Gewebskomponenten der individuellen arteriellen Schichten weit über den physiologischen Bereich belastet. Angesichts dieser Zielsetzung wurden zyklische mechanische Tests an gesunden und durch Kollagenase und Elastase behandelten arteriellen Geweben durchgeführt um das komponenten-spezifische und spannungsinduzierte Erweichungsverhalten zu untersuchen. Diese Tests ermöglichen die Untersuchung des makroskopischen mechanischen Gewebeverhaltens. Zusätzlich wurden strukturelle Untersuchungstechniken wie z.B. die Fourier-Transformations-Infrarotspektrometrie, die Rasterelektronenmikroskopie und die Nanotomography verwendet um die Schädigung auf der Mikroskalenebene zu studieren. Spezielle Schwerpunkte lagen auf der Untersuchung der schädigungsinduzierten Veränderungen der zwischenfasrigen Kollagenabstände und der Verteilung der Proteoglykane.Die makroskopische Antwort der faserverstärkten Gewebe wurde durch eine Formulierung beschrieben die auf mikroskopischen Modellen beruht und auch die individuellen Gewebskomponenten charakterisiert. Diese Modelle berücksichtigten die Änderungen der stochastischen Verteilungen der Fasereigenschaften zufolge der Gewebsüberdehnung. Um die quantitativen Voraussagen des Materialverhaltens zu erhalten, wurden die Modellparameter mittels der Methode der kleinsten Quadrate so angepasst, dass sie mit den Daten der durchgeführten Experimente übereinstimmten.Durch Vergleiche der finiten Elemente Berechnungen mit den experimentellen Daten von ganzen arteriellen Wandsegmenten wurden schließlich die Modelle validiert.