FWF - Myomech - 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.