Biomechanik & Mechanobiologie

 

Überblick

Dieser Forschungsbereich umfasst die theoretische Modellierung, numerische Simulation und experimentelle Validierung von biomechanischen Vorgängen auf Makro- und Mikroebene. Die hier durchgeführten wissenschaftlichen Untersuchungen zeichnen sich dadurch aus, dass klinisch relevante Problemstellungen aus der Biomechanik und der Mechanobiologie an menschlichen Organen sowie auf zelluläre Ebene untersucht werden. Hierbei spielt die Wechselwirkung zwischen mechanischen Belastungen und zellulären Umbauprozessen eine entscheidende Rolle. Die aufgeführten Forschungsthemen werden nicht nur mit Mitteln der Mechanik modelliert, sondern auch experimentell verifiziert.

 

Entwicklung von Knorpelersatzmaterial

In zellulärem Weichteilmaterial kann eine Veränderung der Materialeigenschaften in Abhängigkeit zur mechanischen Belastung auftreten (Remodeling). Dieser Effekt kann experimentell in einem Bioreaktor untersucht werden. Eine zelluläre Probe wird unter zyklischer mechanischer Belastung stimuliert, während sowohl die Anzahl der Zyklen, als auch die auf die Probe wirkende Kraft gemessen werden.

In Abbildung 2 ist die Präparierung dargestellt, die im biologischen Labor der Aachener Uniklinik vorgenommen wird. Die Probe wird während des Versuchs von einem Nährmedium umgeben. Der gesamte mit Gasaustausch versehene Bioreaktor wird bei 37 °C in einem Brutschrank gelagert. Die biologische Auswertung des Probenmaterials erfolgt mittels histologischer Schnitte, wie in Abbildung 3, in denen man im Vergleich zur unstimulierten Kontrollprobe eine verstärkte Aktivität der Knorpelzellen durch Proteinausstoß beobachten kann. Diese vermehrte Proteinbildung kann bei längerer Kultivierung, wie zum Beispiel in einem Tierversuch noch ausgeprägter sein.

Das in Experimenten beobachtete Remodeling soll in weiteren Arbeiten theoretisch und numerisch modelliert werden. Zur Validierung des Modells, das mit dem viskoelastischen Diffusionsmodell kombiniert wird, werden weitere Bioreaktorexperimente durchgeführt. Hierzu wurde bereits ein erster Ansatz mit Hilfe eines Remodelinggesetzes [1] gewählt, das ursprünglich für Knochen entwickelt wurde [2].

Literatur:
[1] Weinans, H., Huiskes, R., Grootenboer, H.J.: The bahvior of adaptive bone-remodeling simulation models. J. Biomechanics 25 (12), 1425-1441, 1992.

[2] Stoffel, M., Yi, J.H., Weichert, D., Gavénis, K., Müller-Rath, R.: A biomechanical model for cartilage replacement material, BIOmaterialien, in press.

 

Bioreaktorentwicklung

Bioreaktoren dienen zur Ermittlung der verstärkten Zellaktivität infolge mechanischer Belastung. Die Zellaktivität im mechanisch stimulierten Gewebe äußert sich durch zusätzliche Proteinbildung, die wiederum ein Faserwachstum zur Folge hat. Dieser Effekt führt zu einer Anpassung an die äußere mechanische Belastung und damit zu einer Steifigkeitserhöhung des biologischen Materials. Die Art und die Größenordnung der Faserneubildung sind für den klinischen Einsatz von großer Bedeutung. Des Weiteren legen die experimentellen Untersuchungen im Bioreaktor die Grundlage für theoretische und numerische Modellierungen des Knorpelersatzmaterials.

Die mechanische Stimulation wird durch einen Stempel vollzogen, der durch eine exzentrisch gelagerte Scheibe zyklisch bewegt wird. Da der Bioreaktor unter sterilen Bedingungen betrieben werden muss, werden die Proben in einer zylindrischen Kammer (siehe Abbildung 1 und 2) kultiviert. Oberhalb der Kammer wird zusätzlich die Durchführung der Stange, die den Stempel bewegt, gegen Keime abgedichtet. Während des Bioreaktorbetriebs werden die Anzahl der Zyklen mittels einer Gabellichtschranke aufgezeichnet. Außerdem befindet sich unter der Probenlagerung eine nachgiebige Membran, die ihrerseits auf einer Kraftmessdose gelagert wird, sodass die Kraft ebenfalls während der Kultivierung erfasst wird. Zur Untersuchung unterschiedlicher Einflussgrößen, wie zum Beispiel Zellanzahl, Kultivierungsdauer, und zur Erfassung statistischer Streuungen, werden vier dieser Bioreaktoren mit jeweils vier Proben zeitgleich in einem Brutschrank betrieben. Diese Experimente werden in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Orthopädie des Uniklinikums Aachen durchgeführt. Zur Erprobung des Knorpelersatzmaterials unter physiologischen Bedingungen im menschlichen Knie, siehe Abbildung 3, ist die Entwicklung eines Bioreaktors mit einem Knieprüfstand geplant.

Eine neue Entwicklungen des Bioreaktors mit einer Raspberry Pi Steuerung ist in Abbildung 4 dargestellt.

 

Untersuchung der biomechanischen Gelenkeigenschaften

Im Rahmen des BMBF geförderten workHEALTH Projektes wird eine interdisziplinäre Untersuchung von Querschnittsthemen zur Ätiologie und Entwicklung von arbeitsbedingten Muskel-Skelett-Erkrankungen (MSE) durchgeführt, um eine bessere Prävention und Behandlung zu ermöglichen, die die Prävalenz von arbeitsbedingten MSE effektiv reduziert.

Diesbezüglich werden auf makro- sowie mikroskopischer Ebene Indikatoren für arbeitsbedingte MSE, insbesondere an der Wirbelsäule und am Knie, untersucht. Hierzu werden in-vitro Versuche an menschlichen Kadaverpräparaten in einem selbst entwickeltem Prüfstand mit magnetischen Tracking Sensoren in feuchtigkeits- und temperaturgeregelter Umgebung durchgeführt. Die Weiterentwicklung der bereits oben erwähnten Bioreaktoren schafft einen Einblick auf die zelluläre Antwort auf physiologische Belastungen. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen werden unter anderem für die Validierung von Materialmodellen und Finite Element (FE) Modellen der lumbalen Wirbelsäule und des Kniegelenks, die in vorherigen Studien erstellt und kalibriert wurden, verwendet. So können weitere mechanische Parameter analysiert werden.

Dieser Multimethodenansatz erlaubt neue Einblicke in die biomechanischen Vorgänge innerhalb der Gelenke. Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Ebenen sollen durch künstliche neuronale Netze erkannt werden. Dies ermöglicht eine Optimierung der Arbeitsbedingungen im Hinblick auf die Reduktion von durch arbeitsbedingten MSE induzierten, wirtschaftlichen Verlusten und gesundheitlichen Einschränkungen für die Betroffenen.