Artificial textile reinforced tubular aortic heart valves - multi-scale modelling and experimental validation

Aachen (2018, 2019) [Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (154 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Ein Therapieverfahren bei degenerativen Herzklappenerkrankungen ist der chirurgische Ersatz der betroffenen Klappe durch eine Prothese. Da bei den bestehenden Prothesen Probleme bezüglich der Haltbarkeit auftreten können, werden als Alternative selbstheilende, gewebegefertigte Herzklappenprothesen entwickelt, die beschädigte native Herzklappen ersetzen können. Zurzeit konzentriert sich die Entwicklung dieser Klappen auf die rechte Herzseite (Pulmonal- und Trikuspidalklappe), da hier geringere hämodynamischen Belastungen herrschen. Der Vorteil dieser Art von Klappengewebe ist, dass durch Gewebeverstärkungen mechanische Eigenschaften erreichbar sind, die mit denen der natürlichen Klappe vergleichbar sind. Allerdings machen komplexe Wechselwirkungen auf verschiedenen Ebenen zwischen den Verstärkungen und dem konstruierten Gewebe die Auswahl des am besten optimierten Bewehrungsgerüsts schwierig. Um diese Implantate besser zu gestalten, müssen auch das Materialverhalten des Verbundes, die Ventilkinematik und die hämodynamische Reaktion bewertet werden. Da die experimentelle Testung sehr aufwändig ist, werden bei der Entwicklung dieser gewebegefertigten Herzklappen Computersimulationen genutzt um den Entwicklungsprozess zu unterstützen. Inhalt der vorliegenden Arbeit ist die Simulation einer Aortenklappenprothese bestehend aus einem Textil-Gewebe-Verbundwerkstoff mithilfe eines neuen Simulationsansatzes. Dieser basiert auf der Grundlage einer mehrskaligen Modellierung, die häufig zur Bewertung und Vorhersage des Verhaltens von Verbundwerkstoffen verwendet wird. Ziel der Arbeit war es das Verhalten von textilverstärkten künstlichen Herzklappen zusammen mit ihrem hämodynamischen Verhalten vorherzusagen. Die komplexe textile Struktur wurde in vereinfachte Modelle mit verschiedenen Maßstäben unterteilt (Faser, Gewebe, Klappensegel). An jedem dieser Modelle wurden virtuelle Experimente durchgeführt und ihre Reaktion wurde durch geeignete isotrope und anisotrope phänomenologische Materialmodelle angepasst. Das angepasste numerische Modell wurde dann in einer Herzklappensimulation verwendet, in der eine dynamische Herzbelastung mit einer mechanischen Finite-Elemente-Methode (FEM) und einer multiphysikalischen Fluid-Struktur-Interaktion-Ansatz (FSI) durchgeführt wurde. Die geometrische Öffnungsfläche und die Durchflussmenge wurden mit Hilfe dieses Modells für einen Herzschlagzyklus bestimmt. Die Ergebnisse der FEM und FSI-Simulation zeigten eine gute Kohärenz mit dem in-vitro-Test während der systolischen Phase, und leichte Abweichungen während der diastolischen Phase für die FSI-Simulationen. Insgesamt zeigt der Modellierungsansatz eine gute Korrelation mit experimentellen Ergebnissen, so dass weitere Untersuchung der komplexen Wechselwirkung zwischen dem konstruierten Gewebe und seinen Verstärkungsgerüsten durchgeführt werden können. Diese Methode kann weiterhin die Grundlage für die Bewertung der mechanischen Biokompatibilität von Gerüsten und deren Interaktion mit technisiertem Gewebe auf verschiedenen Modellierungsebenen bilden.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Sodhani, Deepanshu

Gutachterinnen und Gutachter

Reese, Stefanie
Schmitz-Rode, Thomas

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2019-05628

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