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Biomechanik: Die Vermessung des Menschen

27.06.2017 | FoE Human & Biotechnology | Newsletter research monthly

Von Ulrike Keller

Wie können Herz-Kreislauferkrankungen gezielter therapiert und postoperative Komplikationen verringert werden? Forschende am Institut für Biomechanik liefern mit ingenieurwissenschaftlichen Methoden Antworten.

Grafik eines Herzens, im Hintergrund ist eine Herzstromkurve eines EKGs zu sehen.
Wie sich kardiovaskuläre Gewebe wie der Herzmuskel im Laufe des Lebens, bei einer Erkrankung und nach einer Operation genau verändern, ist von Mensch zu Mensch verschieden. © Sergey Nivens - Fotolia.com

Alles fließt: Unsere Gefäße sind nichts anderes als dünne elastische Rohre, durch die sich Blut ständig seinen Weg bahnt, um Organe und Gewebe mit Sauerstoff zu versorgen. Und genauso wie Rohre verstopfen können und Reibungen sowie Spannungen ausgesetzt sind, verändern sich unsere Blutgefäße im Laufe des Lebens: Die Elastizität nimmt ab, Kalk und Fett lagern sich an den Wänden der „Biorohre“ ab. Dadurch verengen sie sich, was man als Atherosklerose bezeichnet. Über kurz oder lang kann so nicht mehr genügend sauerstoffreiches Blut zu den Geweben fließen. Auch der Herzmuskel, der nichts anderes als eine elektromechanische Pumpe ist, büßt nach und nach seine Pumpleistung ein. Die Folgen können Herz-Kreislauferkrankungen wie Herzinfarkt und Schlaganfall sein – die häufigsten Todesursachen in Europa.

Forschung mit Herz und mathematischem Verstand

Wie sich kardiovaskuläre Gewebe wie Blutgefäße oder der Herzmuskel im Laufe des Lebens, bei einer Erkrankung und nach einer Operation genau verändern, ist von Mensch zu Mensch verschieden. Vieles liegt noch im Dunkeln. Die relativ junge Wissenschaft der Biomechanik schließt hier als Schnittstelle zwischen Medizin und Technik erfolgreich an: Die Forschenden am Institut für Biomechanik der TU Graz nutzen ingenieurwissenschaftliche Berechnungsmethoden, um menschliche „Rohre“ und „Pumpen“ genau zu beschreiben. Um Materialeigenschaften weicher biologischer Gewebe zu charakterisieren und so Veränderungen an beispielsweise Blutgefäßen und Herzgeweben festzustellen oder voraussagen zu können, werden Proben von gesunden und kranken Geweben erst in eigens entwickelten Versuchsapparaturen vermessen. Die Ergebnisse dienen als Grundlage für computerunterstützte Modellierungen, mit denen sich Gewebeveränderungen grafisch darstellen lassen.

Foto einer Versuchsapparatur am Institut für Biomechanik der TU Graz

Vom Institut für Biomechanik entwickelte Versuchsapparatur der TU Graz, mit der das mechanische Verhalten von Gewebe bei Belastung untersucht wird. Auf Grundlage von geeigneten Materialparametern können in Folge Computersimulationsprogramme entwickelt werden, die Gewebeveränderungen grafisch darstellen. Das Institut für Biomechanik verfügt u. a. über Apparaturen für bi- und triaxiale Zug- und Scherversuche, mit denen Gewebe in zwei und drei verschiedene Richtungen belastet wird.

Therapien werden individueller

Wie können die am Institut für Biomechanik gewonnenen Erkenntnisse nun in der Praxis genau helfen? Ein Beispiel ist die effektivere und individuellere Therapie der Aortendissektion als dies bisher der Fall ist. Bei dieser Erkrankung kommt es zum Einriss der inneren Gefäßwand, Blut gelangt in die nächste Aortenschicht und es bildet sich eine Ausstülpung, die den Blutfluss in der Aorta ändert. Betroffene Gebiete werden nicht mehr ausreichend mit Sauerstoff versorgt, und es kann u. a. zu einem Schlaganfall oder akutem Nierenversagen kommen.

Bei der chirurgischen Behandlung der Aortendissektion wird entweder ein Teil der Aorta ersetzt oder ein Stent implantiert, eine kleine gitterförmige Gefäßstütze, die das Gefäß offen hält. Beide Ansätze bergen erhebliche Risiken und die Wahl der optimalen Methode bzw. des besten Zeitpunktes für einen Eingriff stellt eine Herausforderung dar.

Grafik eines Blutgefäßes, in das ein Stent eingeführt wird.

Bei einer Arterienverengung oder einer Aortendissektion wird häufig ein Ballonkatheter in das Blutgefäß eingeführt und ein Stent (Drahtgeflecht) implantiert. Dadurch wird der Blutstrom zu Muskeln, zum Herzen und zu anderen Organen erhöht.

Die am Institut für Biomechanik entwickelten computerunterstützten Modellierungen im Rahmen des Projekts „AorDiss“ könnten zukünftig helfen, die bestmögliche Behandlungsmethode für den individuellen Fall zu finden. Grundlage für die Modellierungen bilden experimentelle Versuche, die sowohl Gewebeproben von gesunden als auch kranken Aorten umfassen. Die gewonnenen Daten werden dann verwendet, um patientenspezifische Simulationen durchzuführen, die letztlich die klinische Entscheidungsfindung unterstützen sollen. 

An der TU Graz ist dieses Forschungsthema im Field of Expertise "Human & Biotechnology" verankert, einem von fünf strategischen Forschungsschwerpunkten.

Information

Der Schwerpunkt am Institut für Biomechanik der TU Graz liegt auf der Grundlagenforschung zur effektiveren Therapie von Herz-Kreislauferkrankungen. Ein weiteres Forschungsgebiet ist die Mechanik des Gehirns, die bei Verletzungen wie dem Schädel-Hirn-Trauma oder dem Schütteltrauma bei Säuglingen eine wichtige Rolle spielt. Eine aktuelle Publikation ist in Acta Biomaterialia erschienen.

Kontakt

Gerhard A. HOLZAPFEL, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Tel.: +43 316 873 35500
holzapfelnoSpam@tugraz.at 

Gerhard SOMMER, Dipl.-Ing. Dr.techn.
Tel.: +43 316 873 35505
sommernoSpam@tugraz.at

Institut für Biomechanik
Stremayrgasse 16/2
8010 Graz
www.biomech.tugraz.at