Arbeitsgruppe Grenzflächenverfahrenstechnik

Als Kalzifizierung wird die Ablagerung von Calciumphosphatsalzen in Geweben bezeichnet. Diesem Prozess verdankt das Knochengewebe seine hohe Mineralisierung und die damit verbundene hohe Festigkeit. Es kann im menschlichen Körper allerdings auch zu einer unerwünschten, pathologischen Kalzifizierung kommen. So begrenzt die pathologische Kalzifizierung beispielsweise die Einsatzdauer von biologischen Herzklappenprothesen im Menschen. Für die Untersuchung der Kalzifizierungsneigung von biologischen Prothesen steht am IMP eine in-vitro Testanlage zur Verfügung. Diese erzeugt eine pulsatile Strömung und ahmt die physiologische Umgebung von Prothesen im kardiovaskulären Bereich nach. Die Untersuchung der Kalzifizierung in-vitro ermöglicht deutlich kürzere Versuchsdauern und geringere Kosten im Vergleich zu Tierversuchen.

Die in-vitro Testanlage eignet sich ebenso zur Durchführung von Dauerbelastungstests an pulsatil durchströmten Strukturen. Zudem kann mit dem Particle Image Velocimetry Verfahren das Strömungsfeld in der Umgebung dieser Strukturen visualisiert werden. Einflüsse von Materialveränderungen auf die Strömungsbedingungen können auf diese Weise untersucht werden.

Sowohl genetische Defekte als auch Begleiterscheinungen von z. B. Myokarditis können zu einer Degradation von Herklappen oder einer Insuffizienz durch Kalzifizierung führen, die mitunter lebensbedrohlich werden können. Neben einer biologischen Herzklappenprothese oder einer Rekonstruktion der verbleibenden Klappe können sie auch durch eine mechanische Herzklappe ersetzt werden. Da diese jedoch eine ständige Medikation mit sich bringen, wird auch hier versucht mit Hilfe von elektrogesponnenen Herzklappen eine degradierbare Lösung zu entwickeln. Basierend auf geeigneter Bildgebung werden die geometrischen Bedingungen erfasst und die Scaffolds patientenspezifisch hergestellt. Die so hergestellten Herzklappengerüststrukturen sollen anschließend in vitro mit patienteneigenen adulten Stammzellen besiedelt werden. Das sich dadurch nachbildende Gewebe erfordert somit nur für den Zeitraum des Verbleibs der Gerüststruktur eine Medikation.

In vielen biomedizinischen Anwendungen kommen Bauteiloberflächen in Kontakt mit einer strömenden Suspension aus Zellen und großen Molekülen. Diese reagieren auf Strömungseinflüsse, insbesondere auf die wirkende Scherspannung, die zu einer Aktivierung oder Schädigung führen können. Die Strömungsform hat damit einen wesentlichen Einfluss auf die an der Grenzfläche stattfindenden Prozesse. In der Arbeitsgruppe werden insbesondere Blutströmungen untersucht.

• Visualisierung und Analyse von Strömungsfeldern in natürlichen und künstlichen Herzklappen
• Gefäßprothesen und dynamische in vitro-Testsysteme zur Blutverträglichkeit
• Auslegung, Konstruktion und Fertigung von Testkreisläufen für die Strömungsvisualisierung durch Particle Image Velocimetry (PIV)
• Beanspruchung von Zellkulturen mit Schubspannungen in einem Kegel-Platte-Bioreaktor

Synthetische bieten gegenüber biologischen Prothesen den Vorteil, dass sie standardisiert in großer Stückzahl herstellbar und daher jederzeit verfügbar sind. Sie bergen jedoch den Nachteil, dass sie während der kompletten Implantationsdauer einen Fremdkörper für den menschlichen Körper darstellen. Die Patienten sind zur Einnahme von Medikamenten, wie Gerinnungshemmern gezwungen. Eine Alternative bietet in diesem Kontext dieHerstellung von Prothesen aus Eigenblut. Hierbei wird das autologe Material so verarbeitet, dass daraus in Implantat entseht, welches für den Körper keinen Fremdkörper darstellt. Dieses Implantat kann mittels Tissue Engineering zusätzlich mit körpereigenen Zellen besiedelt werden. Das Implantat wird nach der Implantation vom Körper kontinuierlich abgebaut, wodurch ein vollständig körpereigener Gewebeersatz verbleibt.

Aufgrund der Mehrphasigkeit humanen Vollblutes stellt die strömungsmechanische Untersuchung eine große Herausforderung dar. Häufig wird deswegen für die Strömungsanalyse auf einphasige Ersatzfluide zurückgegriffen, mit denen die physiologische Hämodynamik jedoch nur vereinfacht dargestellt werden kann.

Das IMP forscht derzeit an der Etablierung eines mehrphasigen Blutersatzfluides um in Untersuchungen das physiologische strömungsmechanische Verhalten des Blutes genauer abbilden zu können. Dabei werden experimentelle und numerische Verfahren genutzt, die auf die Analyse von (wandnahen) Blutströmungen in Gefäßimplantaten ausgelegt sind. Die experimentellen Untersuchungen erfolgen dabei mittels Particle Image Velocimetry (PIV).

In vielen biologischen, chemischen und technischen Fragestellungen kommen heute Mikropartikel zum Einsatz. Sie dienen unter anderem zur Zellkultivierung oder Materialanalyse. Die präzise Kontrolle des Partikelvolumens und des Koaleszenzverhaltens einzelner Mikropartikel erlaubt unter anderem die Analyse und Charakterisierung von chemischen Reaktionen im Mikro-Bereich. Zur Synthese dieser Partikel werden am Institut für Mehrphasenprozesse Verfahren der Droplet-Based-Mikrofluidik genutzt. Es kann dabei auf ein breites Spektrum vom Hydrogel- und Polymermischungen für die Partikelsynthese zurückgegriffen werden. Zusammen mit verschiedenen Kooperationspartnern werden verschiedene Verfahren zur Mikofluidsystemherstellung genutzt, sodass die Mikrokanalauslegung angepasst an die entsprechende Fragestellung erfolgen kann.

In den letzten Jahrzehnten wurden in der Biomedizintechnik verstärkt mikrofluidische Systeme für die Materialsynthese, sowie die biologische und chemische Analyse verwendet. Durch eine Vielzahl von verfügbaren Kanalstrukturen und Flüssigkeits- und Partikelgemischen können mit den zur Verfügung stehenden Herstellungsmethoden viele Fragestellungen abgedeckt werden.
Das physikalische Verständnis der Strömung innerhalb der Mikrokanäle ist jedoch weiterhin begrenzt. Am Institut für Mehrphasenprozesse werden die Strömungen innerhalb mikrofluidischer Systeme analysiert, welche die Verfahren der Droplet-Based-Mikrofluidik nutzen. Ein Fokus liegt dabei vor allem auf der Charakterisierung des Einflusses der Partikel-Polymerisation innerhalb mikrofluidischer Systeme auf Kanal- und Partikelmikroströmungen.