FWF - MultiscaleAorta - Multiskalen biomechanische Untersuchung der menschlichen Aorta

Arterien besitzen die bemerkenswerte Fähigkeit auf einen geänderten Blutfluß, auf Gefäßerkrankungen und auf Gefäßverletzungen zu reagieren und sich dementsprechen zu adaptieren. Bei Gefäßerkrankungen, wie z.B. der Atherosklerose, verändern sich die Eigenschaften der Arterie als Folge eines Ab- und Umbaus von Gewebskomponenten auf unterschiedlichen Ebenen: der Molekül-, der mikroskopischen und makroskopischen Gewebsebene. Dieser Projektantrag basiert auf der Tatsache, dass aus der Kombination von biomechanischen Tests sowie Strukturuntersuchungen auf unterschiedlichen Ebenen Materialgesetze abgeleitet werden können, die dann in weiterer Folge genutzt werden sollen, um physiologische und pathophysiologische Prozesse auf unterschiedlichen Ebenen besser verstehen und untersuchen zu können. Des Weiteren erlaubt dieses Vorgehen bisher unbekannte Beziehungen zwischen Strukturänderungen und Erkrankungen herzustellen. In dieser Studie werden biomechanische Charakterisierungs- und Strukturuntersuchungsmethoden im Makro-, Mikro- und Nanobereich kombiniert, um „multiskalen“ Materialgleichungen entwickeln und validieren zu können. Dabei werden mit Hilfe von realistischen biaxialen Zugversuchen unter einem Multiphotonen-Mikroskop gesunde und erkrankte menschliche Hauptschlagadern (Aorten) gleichzeitig mechanisch und mikrostrukturell untersucht, um makro- und mikroskopische Materialeigenschaften dieser Aorten zu erhalten. Des Weiteren werden die Nanostrukturen dieser Aorten, wie interfibrilläre Proteoglykane, Bestandteile des Kollagens (Tropokollagen, Kollagenfibrillen), des Elastins (Tropoelastin, Fibrillin) und der glatten Muskelzellen (Myosin, Aktin) mittels 3D Transmissionselektronenmikroskopie bei unterschiedlichen makrokopischen Deformationen der Aorten bestimmt. Eine Kombination der experimentell bestimmten mechanischen und struktrurellen Daten erlaubt es somit neuartige „multiskalen“ Materialgesetze abzuleiten, welche Mechanismen explizit im Nano-, Mikro- und Makrobereich so wie deren Kopplungseffekte vereinen. Die Innovationen in diesem Projekt sind die Entwicklung und Anwendung von experimentellen Methoden auf verschiedenen hierarchischen Ebenen, sowie eine intelligente Kombination, Integration und Validierung dieser experimentellen Techniken, um die Rolle der wesentlichen Arterienbestandteile in Bezug auf die Arterienmechanik, Physiologie und Pathologie zu erklären. Dieser Ansatz ist ein großer Schritt nach vorne um Entwicklungs-, Wachstums- und Remodellierungsprinzipien von biologischen Geweben und deren Antwort auf pathologische Zustände erforschen und verstehen zu können. Dieses Projekt untersucht klar definierte klinisch-medizinische Probleme aus ingenieurwissenschaftlichen und biologischen Sichtweisen. Der interdisziplinäre Charakter des vorgeschlagenen Forschungsprojekts involviert Wissenschaftler aus unterschiedlichsten Forschungsbereichen, wie z.B. der Biomechanik, Mechanobiologie, Ultrastrukturanalyse, Histologie und Pathologie.