AME: Projektbeispiele

 

Hier finden Sie tabellarische Übersichten der Projekte des Instituts für Angewandte Medizintechnik aufgeführt nach den einzelnen Abteilungen.

Zu den CVE-Projekten

Zu den RPE-Projekten

Zu den BEE-Projekten

Zu den BioTex-Projekten

Zu den SCM-Projekten

Zu dem PAK 961 MoReBioMed

  Logo CVE

Projekte der Abteilung
CVE – Kardiovaskuläre Technik

 
 

Projektname

Kurzbeschreibung Förderer
3DLung

3D-gedruckte Membranen für künstliche Lungen

Dieses Projekt ist Teil des SPP 2014: Auf dem Weg zur implantierbaren Lunge
Projektnummer 313779459

Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektnummer 347368182
ConnexAL

Entwicklung und Auswertung minimalinvasiver Techniken für den Anschluss einer künstlichen Lunge an das Herz und an herznahe Blutgefäße

Dieses Projekt ist Teil des SPP 2014: Auf dem Weg zur implantierbaren Lunge
Projektnummer 313779459

Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektnummer 347325614

ConnLA

Alternative zu herkömmlich verwendeten Kanülen bei Lungenunterstützungssystemen

Dieses Projekt ist Teil des SPP 2014: Auf dem Weg zur implantierbaren Lunge
Projektnummer 313779459

Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektnummer 346973239

ECCOR Um die zeitliche Lücke der therapeutischen Möglichkeiten, die sich zwischen der Diagnose einer Kohlenmonoxid-Intoxikation und der Therapie in einer Überdruckkammer ergibt, zu schließen, soll im Rahmen von ECCOR ein System zur Elimination von Kohlenmonoxid entwickelt werden. Die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen
Förderkennzeichen 1606pv011
EduDerm Entwicklung und Evaluierung eines realistischen Haut-, Gefäß- und Gewebemodells aus künstlichen Materialien für das Training chirurgischer Basisfertigkeiten. Dieses Forschungsprojekt wird durch das Programm „Innovative Lehrprojekte“ der Medizinischen Fakultät der RWTH Aachen gefördert.
Fontan Pro Für Patienten, welche mit nur einer funktionierenden Herzkammer auf die Welt kommen, stellt eine individuell adaptierbare Fontan-Prothese in Kombination mit einem Herzunterstützungssystem eine neue und innovative Therapiemöglichkeit dar. Bundesministerium für Bildung und Forschung.
Ghost Cells

Ghostcells sind rote Blutkörperchen (Erythrozyten), die nach einer kontrollierten Lyse eine niedrigere Konzentration des roten Blutfarbstoffes Hämoglobin aufweisen. Mit Hilfe von Calcium beladenen Ghostcells und einem Fluoreszenz-Indikator im umgebende Fluid ist eine räumlich aufgelöste Messung der Zerstörung von roten Blutkörperchen (Hämolyse) erstmals möglich.

Deutsche Forschungsgemeinschaft
Förderkennzeichen STE 1680/12-1
Interventionelles Messinstrument Ein erfolgreicher Ersatz einer krankhaften Herzklappe mittels Katheter erfordert die genaue Vermessung der vorliegenden Anatomie. START-Programm der Medizinischen Fakultät der RWTH Aachen
Oberflächenstrukturierung

Verbesserung der Hämokompatibilität von Polyurethan durch Oberflächenstrukturierung

START-Programm der Medizinischen Fakultät der RWTH Aachen
OxyBench Testbett für implantierbare künstliche Lungen START-Programm der Medizinischen Fakultät der RWTH Aachen
OxySim Die numerische Strömungssimulation unterstützt den Entwicklungsprozess von Oxygenatoren entscheidend. Ziel des Projekts OxySim ist die Weiterentwicklung eines bereits bestehenden numerischen Modells und dessen experimentelle Validierung in Laborversuchen. Deutsche Forschungsgemeinschaft
Förderkennzeichen STE 1680/7-1
Perinatal Life Support System Unterstützung der sichere Entwicklung von extrem früh geborenen Babys außerhalb der Gebärmutter durch den Erhalt der angeborenen kardiorespiratorischen Physiologie des Fötus ex vivo. Horizon 2020
PLAAO Personalisierter LAA-Okkluder Bundesministerium für Bildung und Forschung. Förderkennzeichen 13GW0114B
Polyvalve Eine Polymer-Herzklappenprothese für den dauerhaften Einsatz im Körper INTERREG Programm V-A Euregio Maas-Rhein der Europäischen Union
Förderkennzeichen 2016/98602
PulmoStent (Part CVE) Biohybrider Stent für die Behandlung von Atemwegsstenosen Bundesministerium für Bildung und Forschung
Förderkennzeichen 03VP03290
ReinHeart Entwicklung eines Kunstherzen, das voll implantierbar – also ohne Schläuche durch die Haut – funktioniert und wartungsfrei über viele Jahre im Körper des Menschen schlagen kann. Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen

Detailierte Beschreibungen zu den CVE-Forschungsaktivitäten

  Logo RPE

Projekte der Abteilung

RPE – Rehabilitations- und Präventionstechnik

 
 
PfleKoRo

PfleKoRo: Erleichterte Pflege schwer zu pflegender Patienten durch Kooperierende Robotik

autoPrätz Ein technisches Assistenzsystem für eine präzise auf den Patienten abgestimmte autonome Rehabilitationstherapie muskuloskelettaler Erkrankungen mit sensorbasiertem feed-back. Entwicklung unter
Berücksichtigung Gebrauchstauglichkeit, Patienten- und Therapeutenakzeptanz
DeMaPro Entwicklung neuer Materialien und Nanoverbundstrukturen für eine innovative modulare Prothese zur Erhaltung der Funktionalität der oberen Extremität (DeMaPro)

i2-CoRT Innovation and Implementation accelerator for Complex Rehabiliation Technology
smartMove Entwicklung einer intelligenten Orthese zur Verbesserung der Bewegungsfähigkeit von Patienten mit Spastik.
inRehaRob

Entwicklung eines Therapieroboters, der eine individualisierte Rehabilitationstherapie erlaubt, die selbständig vom Patienten durchgeführt werden kann.

Dyneva

Untersuchung der Wirkung einer dynamischen Flexionsorthese auf die Aktivierung der Rückenmuskulatur.

HSR-EMG Nichtinvasive Erfassung der elektrischen Aktivität einzelner motorischer Einheiten für eine schmerzfreie Diagnostik neuromuskulärer Erkrankungen.
Früherkennung von Bewegungsstörungen Entwicklung eines nichtinvasiven Verfahrens zur objektiven und quantitativen Bewertung der Spontanmotorik von Säuglingen.
Bewegungsanalyse oberer Extremitäten Entwicklung von Verfahren zur Erfassung und quantitativen Bewertung von Bewegungen der oberen Extremität.
Ganganalyse Entwicklung von Verfahren zur Bewertung der Qualität des Gangbildes.
Erkennung von Hinken Entwicklung eines tragbaren Systems zur automatischen bewertung des Gangbildes

Detailierte Beschreibungen zu den RPE-Forschungsaktivitäten

  Logo BEE

Projekte der Abteilung
BEE – Biophysical & Education Engineering

 

Blended Assessments In dem unter anderem vom Stifterverband geförderten Lehrprojekt Blended Assessments wird untersucht, wie sich elektronische Medien in klassische schriftliche und mündliche Prüfungen integrieren lassen.
Problemorientierte Praktika Dass das Lernen an einem theoretischen Problem sinnvoll ist, weiß man seit fast 50 Jahren POL-Trainings. Dass dies aber auch mit praktischen Umsetzungen klappt, stellen wir mit dem Projekt Problemorientierte Praktika seit über zehn Jahren unter Beweis.
Elektronische Prüfungen Dieses mittlerweile an die Abteilung „Medien für die Lehre“ ausgegliederte Projekt hat die computerbasierten Prüfungen an der RWTH Aachen University entwickelt und für alle Fakultäten nutzbar gemacht.
Sichtbarmachung von textilen Implantaten im MRT Zur Vermeidung postoperativer Komplikationen und Planung von Rezidiv-Operationen können implantierte textile Strukturen nun sichtbar gemacht werden.
Bestimmung der Verteilung magnetischer Nanopartikel in Textilimplantaten Mit einem Magnetkraftmikroskop wird die Verteilung magnetischer Nanopartikel in chirurgischen Netzimplantaten mit hoher Genauigkeit gemessen.

Detailierte Beschreibungen der BEE-Forschungsaktivitäten

  Logo BEE

Projekte der Abteilung
BioTex - Biohybrid & Medical Textiles

 
 
pHMed

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Bikomponenten-Spinnprozess, der die räumlich definierte Einbringung von Mikrogelen in PLA-Fasern ermöglicht.

PulmoStent Entwicklung des sogenannten PulmoStent, eines biohybriden Stents für die Behandlung von Atemwegsstenosen

Weitere Informationen zu den BioTex-Forschungsaktivitäten

  Logo BEE

Die Projekte der Abteilung
SCM – Science Management

 
 

mi-mappa SCM hat ein neues integratives Kompetenzmodell der Medizintechnik basierend auf Data Mining-Algorithmen entworfen.
TIM Aktualisierung eines Trend- und Innovationsmonitorings, kurz: TIM, für die Medizintechnik in Nordrhein-Westfalen
CDev Unter dem gemeinsamen Leitgedanken „Patient Customized Engineering for Smart Cardiovascular Therapy“ arbeiteten mehr als 40 Partner aus Klinik, Forschung und Industrie in sieben Projekten zusammen.

Detailierte Beschreibungen zu den SCM-Forschungsaktivitäten

 

DFG Paketantrag "Auf dem Weg zu einer modellbasierten Regelung der biohybriden Implantatreifung"

 
 

P1: BioInterface - Funktionelle Fibrin-basierte Hydrogele zur Steuerung von Zell/Biomaterial Interaktionen in biohybriden kardiovaskulären Implantaten

Tissue Engineering ist seit Jahrzehnten ein breit aufgestelltes, interdisziplinäres Forschungsfeld und die Forschungsaktivitäten zielen auf zukünftige Anwendungen zum Ersatz verschiedener Organe oder Gewebe ab. Obwohl bereits vielversprechende biohybride Systeme für Transplantationen entwickelt wurden, ist eine Vorhersage, wie sich tissue-engineerte Konstrukte nach Transplantation in vivo verhalten bisher nicht möglich.
In unserem Teilprojekt (P1) des Paketantrags werden wir einen funktionellen molekularen Baukasten für das maßgeschneiderte Design Fibrin-basierter Hydrogele entwickeln und dann systematisch Zell/Biomaterial-Interaktionen untersuchen mit dem Fokus auf das Langzeitverhalten im Tissue Engineering. Unsere Daten über physiko-chemische Eigenschaften (chemische Struktur, mechanische Eigenschaften, Degradationsprofile) der Biomaterialsubstrate und deren Einfluss auf das Zellverhalten werden bioinformatisch analysiert mit dem Ziel, Vorhersagen darüber zu treffen, wie sich das Langzeitverhalten eines tissue-engineerten Konstrukts in kardiovaskulären Therapien darstellt. Diese Daten beinhalten (i) Vorhersagen über das Zellverhalten endogener Empfängerzellen in Kontakt zu transplantierten Biohybriden oder Implantaten sowie (ii) Vorhersagen über das Zellverhalten innerhalb tissue-engineerter Konstrukte nach Transplantation.
Wir werden neuartige biohybride Hydrogele synthetisieren, bestehend aus Fibrinogen und reaktiven biokompatiblen N-Vinyllactam-basierten Copolymeren. Diese Hydrogele werden steuerbare mechanische Eigenschaften, variable Morphologie und kontrol-lierte Degradationsverhalten aufweisen. Die Fibrin-basierten Hydrogele werden dann systematisch in Kontakt zu verschiedenen für den kardiovaskulären Bereich relevanten Zelltypen (mesenchymale Stammzellen (MSC), glatte Muskelzellen (SMC), Endothelzellen (EC)) untersucht, die entweder auf den Gelen oder innerhalb der Hydrogele kultiviert werden. Wir werden die grundlegende Kompatibilität der Hydrogele analysieren in Hinblick auf Zelladhäsion, Vitalität, Proliferation, Apoptose, Nekrose und Zytotoxizität gemäß ISO 10993-5. Außerdem werden wir den Einfluss der Hydrogeleigenschaften (Elastizität, Degradierung) auf das Zellverhalten untersuchen mit speziellem Fokus auf (i) Stammzelldifferenzierung (adipogen, osteogen, chondrogen und besonders myogen), (ii) Matrixremodelling und (iii) Vaskularisierung. Die ermittelten Daten werden bioinformatisch analysiert, um ein Langzeitverhalten von Zellen in Kontakt zu den Hydrogelen vorhersagen zu können.

Projektleiter

Priv.-Doz. Dr. rer. nat. Sabine Neuss-Stein
sneuss-stein@ukaachen.de

Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Andrij Pich
pich@dwi.rwth-aachen.de

P2: Architissue - 3D-Architektur biohybrider kardiovaskulärer Implantate durch additive Fertigung

Die Herstellung biohybrider Weichgewebe-Implantate erfordert eine komplexe Anordnung von Zellen in einer dreidimensionalen Geometrie, um die gewünschte Funktion des späteren Implantats zu erzielen. Dabei wird versucht, die natürliche Struktur der Gewebe und die Anordnung der zellulären Komponenten durch die Verwendung eines geeigneten Zellträgers zu imitieren. Dieses „Gerüst“ sorgt nicht nur für Form und Stabilität, sondern vermittelt auch gewebespezifische Eigenschaften und beeinflusst nach der Besiedelung mit Zellen die Gewebereifung, also die Bildung von Extrazellulärer Matrix (EZM) und die Zellproliferation nach einem ‚function follows form‘ Prinzip. Die Gerüststruktur und die mechanischen Eigenschaften beeinflussen die Zellen in entscheidender Weise und bestimmen die Funktion des Gewebekonstrukts. Ziel dieses Projekts ist die Erforschung des Einflusses spezifischer 3D-Architekturen des Stützgerüstes auf die funktionelle Reifung biohybrider Implantate. Durch die Untersuchungen in ArchiTissue werden die wesentlichen Rahmenbedingungen der Entwicklung einer Herzklappe ermittelt. Diese werden in einem daraus resultierenden Strukturkatalog festgelegt und fließen in das Reifungsmodel eines biohybriden Implantats ein. Der Lösungsansatz basiert auf der additiven Fertigung von Mikrostrukturen durch initiatorfreie Laserpolymerisation biokompatibler Präpolymere. Die Materialeigenschaften der entstehenden polymeren Gerüste erfüllen dabei die Anforderungen für die Adhäsion und Kultivierung einwachsender Zellen. Die Laserpolymerisation in der Stereolithographie (SL) erlaubt eine breite Variation der 3D Architektur (Geometriefreiheit), so dass die für die Reifung notwendigen Strukturparameter für verschiedene Implantattypen und für die Herzklappe im speziellen untersucht werden können. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse zum Einfluss der 3D Architektur auf Mono- und Co-Kulturmodelle in der Zellkultur, wird an der Realisierung eines mehrlagigen, biohybriden Herzklappenimplantats geforscht. Die drei Lagen einer Herzklappe, die inelastische, kollagenreiche Fibrosa, die elastinreiche Ventricularis und die dazwischenliegende glycosaminglykanreiche Spongiosa, werden durch die Zellbesiedlung der Strukturen in einem pulsatilen Bioreaktor realisiert. Hierbei wird zunächst für jede Schicht untersucht, inwiefern die mechanischen und architektonischen Eigenschaften des Zellträgers das Verhalten der Endothel- und glatten Muskelzellen, speziell im Hinblick auf die Produktion der Extrazellulärmatrix, beeinflussen. Zur Erreichung des Projektziels werden folgende grundlegende wissenschaftliche Aufgabenstellungen untersucht:

  • Variation der 3D-Architektur durch die Kombination von mikro- und makroskaligen Strukturelementen durch Mehrphotonenpolymerisation mit SL.
  • Detaillierte Untersuchung der Wechselwirkung zwischen 3D Architektur und Zellverhalten unter dynamischer Stimulation
  • Entwicklung eines mehrlagigen biohybriden Herzklappenmodells.
Projektleiter

Priv.-Doz. Dr. Petra Mela
mela@ame.rwth-aachen.de

Dr.-Ing. Arnold Gillner
arnold.gillner@llt.rwth-aachen.de

Dr. rer. nat. Nadine Nottrodt
nadine.nottrodt@ilt.fraunhofer.de

P3: TexValveModelling - Modellierung der Struktur und der Fluid-Struktur-Interaktion biohybrider Herzklappen auf die Gewebereifung

Für die Standfestigkeit biohybrider Implantate ist die Reifung einer qualitativ hochwertigen extrazellulären Matrix (ECM) von herausragender Bedeutung. Diese muss dauerhaft in der Lage sein, die biomechanischen Belastungen bei hohen Lastwechseln und Druckschwankungen aufzunehmen. In der Natur wird dies vor allem durch eine lastorientiertes Wachstum von Kollagen- und Elastinfasern erreicht. Diese Faserstrukturen verstärken die Herzklappen ähnlich wie Carbonfasern Kunststoffe verstärken können. Das Wachstum solcher Fasern ist stark von der Belastung des Gewebes abhängig. Da durch die Einbringung von einer textilen Bewährung (Scaffold) bei biohybriden Implantaten die Lastaufnahme des Gewebes verändert wird, ist es von besonderer Wichtigkeit anhand prädiktiver Modelle die Gewebeentwicklung in das Scaffold-Design einzubeziehen. Hierzu werde im Rahmen dieses Teilprojektes Modellierungs- und Simulationswerkzeuge entwickelt, welche die Gewebereifung im Bioreaktor unter Einfluss des Scaffolds vorhersagen können. Im Rahmen dessen wird ein kontinuumsmechanisches Materialmodell zur Beschreibung der Gewebereifung entwickelt. Hierbei wird weiterhin, in Kooperation mit Teilprojekt P2, das mechanische Verhalten gedruckter Scaffoldstrukturen untersucht und in die Gesamtmodellierung einbezogen.

Projektleiter

Lukas Lamm, Stefanie Reese
Institute for Applied Mechanics, RWTH Aachen University, Germany,
lukas.lamm@ifam.rwth-aachen.de, d.sodhani@ifam.rwth-aachen.de, stefanie.reese@ifam.rwth-aachen.de


tba, Stefan Jockenhövel
Institute of Applied Medical Engineering, RWTH Aachen University, Germany, jockenhoevel@ame.rwth-aachen.de

P4: ProcessModelling - Prozessorientiertes Reifungsmodell der biohybriden Herzklappe im Bioreaktor

Projektgegenstand ist eine prozessorientierte Systemanalyse und Modellierung der Reifungsvorgänge der biohybriden Herzklappe im Druck-/Fluss-beaufschlagten, pulsierenden Bioreaktor-Konditionierungsprozess („Reifungsprozess“). Arbeitsschwerpunkte sind die Untersuchung des Zusammenhanges zwischen Ausgangs- y(t) und Eingangsgrößen u(t) des Konditionierungsprozesses zu den Zustandsgrößen x(t) des Implantats. Der Reifungsprozess beeinflusst die Eigenschaften des Implantats. Daher soll erforscht werden, wie sich diese Eigenschaften in möglichen Zustandsgrößen abbilden lassen (Start und Ziel-Zustandsgrößen des Prä- bzw. fertigen Implantats). Als Ausgangsgrößen y(t) werden physikalische und biochemische Parameter des Bioreaktor-Mediums, per Ultraschall und fotografisch erhobene funktionelle Parameter zu Klappenöffnung und -schluss, sowie Bildgebungsdaten der 2-Photonenmikroskopie (2PM) zum Elastin- und Kollagenanteil der extrazellulären Matrixbildung in den Klappensegeln und zu morphologischen und funktionellen Parametern der beteiligten Wand- und Endothelzellen untersucht. Ein endoskopisches Mikroskop erlaubt eine kontinuierliche Erfassung der 2PM-Daten. Unter Nutzung von Vorerfahrungen und Expertenwissen lassen sich bestimmte Zustandsgrößen ohne wesentliche Überlagerungen aus einzelnen Ausgangsgrößen direkt beobachten. Diese sollen in Abhängigkeitsmatrices erfasst und als Ausgangs-Zustandsgrößen-Kennfelder aufgestellt werden. Basierend auf der Identifikation der Systemdynamik und mathematischen Beschreibungen wird ein Modell des Reifungsprozesses erstellt. Idealerweise kann durch die modellbasierte Zustandsbeobachtung, über eine alleinige Betrachtung der Ein- und Ausgangsgrößen, eine zeitkontinuierliche Quantifizierung der Zustandsgrößen erfolgen, so dass die nicht mit dem Reifungsprozess kompatiblen histologischen Untersuchungen (bedingen eine Implantatzerstörung sowie den Prozessabbruch) entfallen können. Die für Modellbildung und Validierung notwendigen Daten sollen experimentell gewonnen werden. Dazu müssen Bioreaktorkonditionierungsversuche mit biohybriden Herzklappen vorbereitet, durchgeführt und ausgewertet werden. Auf methodischer Ebene sollen zum einen das Paradigma der objektorientierten Modellierung angewandt und eine Komponentenbibliothek aufgebaut werden. Zum anderen soll der Reifungsprozess als örtlich verteiltparametrisches System aufgefasst werden. Im Rahmen des Projekts sollen auch grundlegende Methoden zur Nutzung der Vorteile der bislang nicht etablierten objektorientierten Modellierung für verteiltparametrische Systeme erschlossen werden. Das aufzustellende Reifungsmodell soll als Basis für eine modellbasierte Regelung des Bioreaktor-Konditionierungsprozesses in einer Anschlussförderphase dienen (Phase II des Paketantrages). Fernziel ist die regelungstechnische Beherrschung der individuellen biologischen Dynamik der Zell- und Gewebereifung zur Herstellung biokompatibler und langzeitstabiler Implantate.

Projektleiter

Univ.-Prof. Dr. med. Dipl.-Ing. Thomas Schmitz-Rode
smiro@ame.rwth-aachen.de

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Abel
d.abel@irt.rwth-achen.de

Prof. Marc van Zandvoort
mamj.vanzandvoort@maastrichtuniversity.nl

P5: DurImplant - Analyse des Implantatverhaltens nach Bioreaktoreifung in vitro

Ziel von Projekt P5 ist die Entwicklung einer in vitro Methodik zur Untersuchung der Dauerfestigkeit biohybrider Implantate mit Hauptaugenmerk auf der Kalzifizierungsneigung als entscheidend limitierenden Faktor der Implantatlebensdauer und –funktion. Einen hohen Stellenwert hat die Frage der Kalzifizierungsneigung sowie deren Vorhersage und Prävention schon heute im Bereich avitaler bioprothetischer Herzklappen. Dieser Tatsache begegnet das vorliegende Vorhaben mit der Hypothese, dass biohybride Herzklappenprothesen mit einem vitalen, funktionell-aktiven Endothel eine natürliche Barriere für die Kalzifizierung darstellen, was in einer möglichst realitätsnahen in vitro Testumgebung zu untersuchen ist. Zur Testung avitaler bioprothetischer Herzklappen besteht am CVE bereits ein dynamischer Dauertester, welcher bisher auf rein mechanischer und physikalisch-chemischer Basis arbeitet, für zellularisiertes Material aber weder aus physiologischer noch zytotoxikologischer Sicht eine geeignete Testumgebung bietet. Dieser Aspekt soll durch die Entwicklung eines biohybrid-kompatiblen Testsystems adressiert werden. Wichtige Parameter hinsichtlich der Testumgebung sind die Zellkompatibilität bei gleichzeitigem Kalzifizierungspotential des Fluids, physiologische pH-, Temperatur- und Strömungsbedingungen sowie die Online-Detektion der Entstehung und Progression von Verkalkungen. Neben der Testumgebung sind viele individuelle Einflussfaktoren, deren Rolle in der Kalzifizierung bis heute nicht vollständig geklärt ist, zu berücksichtigen (Blut-, Entzündungs-, Material- und Oberflächenparameter, Kalzifikations-Induktoren und -Inhibitoren und nicht zuletzt die Zellbeteiligung). Diese Faktoren sollen zunächst in einem miniaturisierten Flusskammersystem an Materialpatches erforscht werden. Eine entsprechende Flusskammer wird am CVE entwickelt und aufgebaut. Die Vorteile eines miniaturisierten Systems für Forschungszwecke bestehen i) in einer besseren Flexibilität in der Herstellung varianter Fluidzusammensetzungen und Fluid-Substrat-Kombinationen, so dass auch einzelne Kalzifizierungsparameter separat untersucht werden können, ii) einer gleichbleibenden Zusammensetzung des Fluids in der Testkammer durch ein offenes Flusssystem (Einmalpassage) und iii) der Möglichkeit des Parallelbetriebs mehrerer Flusskammern mit mikroskopischer Onlineverfolgung des Kalzifikationsprozesses. Vergleichbar geringe Substratmengen(-größen) erlauben die Testung verschiedener Materialien mit und ohne lebende Zellen, noch bevor komplexe Konstrukte (Implantate) verfügbar sind. Dabei kommen das am ZMG entwickelte Fetuin-A-basierte Imaging, inflammatorische Reporter-Zellassays sowie (patho)-biomimetische Fluide mit hochmolekularen Mineralvorläufern zur Anwendung. Der Einfluss von Oberflächenstrukturen und –anomalien soll via optischer Kohärenztomographie der Ausgangsmaterialien und Abgleich mit den nach Testung auftretenden Kalzifikationsmustern untersucht werden.

Projektleiter

Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Wilhelm Jahnen-Dechent
willi.jahnen@rwth-aachen.de

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ulrich Steinseifer
steinseifer@ame.rwth-aachen.de

Priv.-Doz. Dr.-Ing. Jutta Arens
arens@ame.rwth-aachen.de

P6: ImplantImaging - Multimodale Bildgebung für das longitudinale in vivo Monitoring biohybrider Implantate

Die Gewebereifung biohybrider Implantate setzt sich auch nach der Implantation fort. Dieser Einheilungs- und Remodelierungsprozess, der eine Wechselwirkung zwischen dem vitalen Implantat und seiner Umgebung darstellt, ist für die Funktionalität und Lebensdauer biohybrider Implantate von zentraler Bedeutung. Ziel des Projektes ist es daher, Methoden zu erforschen und zu entwickeln, die eine longitudinale Betrachtung der biologischen Dynamik des Ein- und Umbauprozesses biohybrider Implantate und deren Komponenten ermöglichen. Mittels MR-PET Bildgebung und molekularer Sonographie sollen Wechselwirkungen zwischen (i) Biomaterial, (ii) zellulären Kom-ponenten sowie (iii) Implantatumgebung in vivo messbar werden. Als erste geometrisch vereinfachte Modellstruktur wird eine biohybride Gefäßprothese (I.D. 3 mm) verwendet, welche sich aus einer (1) Fibrin-Gel-Matrix als Zellträgerstruktur für Myofibroblasten, (2) einer textilen, teil-biodegradierbaren Bewehrung als Stützstruktur und (3) einem endothelialisierten Lumen aufbaut. Für die longitudinale Bildgebung werden die textilen Stützstrukturen mit langlebigen MRT-Markern versehen. Dabei werden Eisenoxid-Nanopartikel (USPIO) verwendet, um den degradierbaren Anteil der Stützstrukturen zu markieren und mittels 1H-MRT sichtbar zu machen. Für den nicht-degradierbare Anteil der Stützstruktur werden fluorierte Polymere (19F-TPU) verwendet und mit 19F-MRT dargestellt. Die markierten biohybriden Gefäßprothesen werden in Aorten von Ratte implantiert, um den in vivo Remodellingprozesses zu charakterisieren. Die biologischen Prozesse des Gewebe-/Gefäßprothesenumbaus werden mittels PET-Radiotracern, sowie molekularer MRT und Sonographie unter-sucht. Inflammatorische Reaktionen werden durch 18F-FDG PET Messungen, zelluläre Apoptose und Nekrose durch 18F-Duramycin PET Messungen dargestellt werden. Die Zellularität der Gefäßprothesen sowie die Ausbildung eines lokalen Gewe-beödems werden mittels diffusionsgewichteter MRT Bildgebung und FLAIR-Sequenzen bzw. T2-Relaxometrie erfasst werden. Eine molekulare MRT-Sonde gegen Elastin dient der Untersuchung der Elastogenese während des in vivo Remo-dellingprozesses. Die gewonnenen nichtinvasiven Daten werden (immun)histologisch validiert.
Zusammenfassend liefert das Projekt wichtige Erkenntnisse zum Umbauprozess der Implantate in vivo und zu deren Wechselwirkungen mit dem Empfängerorganismus. Die Daten dienen als wesentliche Grundlage für das Reifungsmodell, um eine Prädiktion des in vivo Implantatverhaltens bereits während des Herstellungsprozesses zu ermöglichen. Der technische Aufbau, die Zellquelle und das Biomaterial stimmt mit denen der biohybriden Herzklappe überein. In der zweiten Projektphase sollen Strategien entwickelt werden um die gewonnen Erkenntnisse und Technologien auf die komplexere geometrische und bewegende Form der Herzklappenprothese zu übertragen.

Projektleiter

Univ.-Prof. Dr. med. Stefan Jockenhövel
jockenhoevel@ame.rwth-aachen.de

Univ.-Prof. Dr. med. Fabian Kießling
fkiessling@ukaachen.de