R7: Magnesiumgeflechte

Hintergrund

Weltweit gehören kardiovaskuläre Erkrankungen zu den häufigsten Morbiditäts- und Mortalitäts­ursachen. Koronare Herzerkrankungen sowie degenerative Erkrankungen der Herzklappen sind die häufigsten Herzpathologien bei erwach­senen Patienten. Herzmuskelzellen besitzen ein limitiertes Teilungspotenzial. Daher kommt es nach einer Schädigung des Herzmuskels - z.B. durch ein Infarktereignis - nur zu einem bindegewebigen, nicht-kontraktilen Ersatz des geschädigten Gewebes.

Schädigungen der Aorta wie z.B. Aneurysmen werden momentan chirurgisch mit dem Einsatz von Prothesen wie Homografts oder synthetischen Prothesen aus z.B. Dacron versorgt. Erstere sind allerdings in der Verfügbarkeit limitiert und letztere besitzen eine unzureichende Elastizität, so dass der notwendige Windkesseleffekt der Aorta für einen gleichmäßigen Blutstrom nur bedingt ausgebildet werden kann.

 

Magnesiumstruktur auf HerzmodellForschungsziel Myokardersatz

Forschungsziel ist die Entwicklung eines biologischen, regenerativen Gewebeersatzes für die Anwendung im kardiovaskulären Hochdruckbereich (bis 240 mm Hg) der linken Herzkammer.

Die verwendeten biologischen Materialien weisen in der Frühphase nach Implantation jedoch eine zu geringe Stabilität auf. Daher soll das prothetische Gewebe durch ein bioresorbierbares Implantat auf Magnesiumbasis solange unterstützt werden, bis durch die physiologischen Umbauprozesse eine ausreichende Stabilität des Gewebes erreicht wird.

 

Forschungsziel Aortenprothese

Ein weiterer Projektinhalt ist die Erforschung des chirurgischen Ersatzes von aneurysmatischen oder disseziierten Aortenabschnitten. Der Forschungsansatz liegt hier in der Befreiung xenogener oder allogener Gefäße von den ursprünglichen Zellen und der Wiederbesiedlung des übriggebliebenen Proteingerüsts mit körpereigenen Zellen des Empfängers. Hierzu werden dezellularisierte Aortensegmente in Schafe implantiert und in-vivo untersucht. Auch die biologische Gefäßprothese soll in der Frühphase nach Implantation mit einer röhrenförmigen Magnesiumstruktur unterstützt werden.

 

Material und Methoden

Ein wichtiger Aspekt ist die Optimierung der Degradationsgeschwindigkeit der Stützgeflechte im Körper.  Die Magnesiumstruktur muss einerseits solange stabil sein, bis eine ausreichende Stabilität des biologischen Gewebeersatzes erreicht ist, andererseits soll die Prothese im Laufe eines Jahres vollständig resorbiert werden. Hierfür werden im SFB 599 geeignete Legierungen entwickelt, die mit Hilfe einer  Strangpresse zu Blechen und dann mittels Wasserstrahltechnologie zu mäanderförmigen Myokardstützstrukturen verarbeitet werden. Zur Herstellung der Aortenstrukturen werden die o.g. Mg-Bleche in einem Warmumformprozess in Röhrenform gebracht.  

Neben der Legierung spielt auch die mechanische Konstruktion der Stützgeflechte eine entscheidende Rolle. Die Strukturen werden deshalb einer FEM-Analyse unterzogen und optimiert.

In einem in-vitro-Prüfstand, welcher den Herzschlag nachbildet, werden die Myokardstützstrukturen unter koorosivem Angriff auf ihr Degradationsverhalten sowie ihre dynamische Belastbarkeit untersucht. Hierdurch kann eine Auswahl aus den verschiedenen Geometrien sowie Materialien getroffen werden, die nachfolgend in Tierversuchen evaluiert werden. Die Aortenstützstrukturen werden unter korrosivem Angriff radial belastet.

Die In-vivo-Untersuchung der Myokardstützstrukturen erfolgt in Schweinen. Als biologischer Gewebeersatz wird ein von der Schleimhaut befreites autologes Segment des Magens eingesetzt. Die arterielle und venöse Versorgung des Magensegments erfolgt mittels der originären Gefäße. Zur in-vivo Evaluation der Prothesen werden allogene ovine Aortensegmente dezellularisiert und anschließend als Ersatz der thorakalen Aorta descendens in Schafe implantiert. Diese biologischen Grafts werden auf der adventitialen Seite durch die Magnesiumstrukturen gestützt.

 

Vision

Vision der Forschungsarbeiten ist der Ersatz von schwergeschädigtem Herz- und Aortengewebe durch biologische Ersatzmaterialien, die sich zu  voll funktionsfähigen Organgeweben des  Empfängers umwandeln. Die entwickelten resorbierbaren Stützstrukturen übernehmen hierbei eine wichtige temporäre mechanische Stützfunktion.