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Weiterentwicklung von kardiovaskulären Implantaten und finite Element Modellierung der Degradation von Mg-Legierungen

Weiterentwicklung von kardiovaskulären Implantaten und finite Element Modellierung der Degradation von Mg-Legierungen

Leitung:  P. Wriggers, J. Lamon, S. Besdo
Team:  M. Weidling
Jahr:  2012
Förderung:  DFG im Rahmen des IRTG 1627
Ist abgeschlossen:  ja

Hintergrund:

Geschädigtes Herzmuskelgewebe, z. B. in Folge eines Herzinfarkts, kann mit Gewebetransplantaten ersetzt werden. Studien haben gezeigt, dass eine Besiedlung mit Myokardzellen möglich ist. Anfänglich besitzen die Gewebetransplantate eine sehr geringe Festigkeit. Daher sollen sie mit Implantaten unterstützt werden, welche die mechanischen Belastungen des Hochdrucksystems aufnehmen. Mit einsetzender Zellbesiedlung und der damit verbundene Erhöhung der Festigkeit des Gewebes, verlieren die Stützstrukturen nach und nach ihre Funktion. Idealerweise sollten sie sich dann auflösen, um eine Explantation zu vermeiden. Magnesium und einige seiner Legierungen degradieren in physiologischer Umgebung. Da Magnesium im Stoffwechsel benötigt wird, ist der Verbleib der Elemente im Körper unbedenklich. Für bioresorbierbare Implantate werden vom Institut für Werkstoffkunde, Leibniz Universität Hannover, verschiedene Magnesiumlegierungen entwickelt. Gefertigt werden die Stützstrukturen durch Wasserabrasivstrahlen von gewalztem Blechmaterial. An einem Dynamikprüfstand werden die Strukturen in vitro getestet. Die in vivo Untersuchungen erfolgen in Tierversuchen.

 

Aufgaben:

Die bisher entworfenen Myokardstützstrukturen erreichen nicht die geforderte Lebensdauer. Brüche treten schon in einer frühen Phase nach der Implantation auf. Aus diesem Grund soll die Geometrie der Strukturen derart verändert werden, dass die durch Herzbewegung auftretenden Belastungen besser ertragen werden und ein vorzeitiges Versagen durch Ermüdung verhindert wird.

Die fortschreitende Degradation des Implantates hat einen Einfluss auf die Lebenszeit und damit Funktionserfüllung des Implantates und muss daher berücksichtigt werden.

 

Vorgehen:

Die Beanspruchung der Stützstrukturen, welche durch die Herzbewegung erfolgt, wird mit Hilfe der Finite Element Methode simuliert. Hierdurch können Bereiche am Implantat identifiziert werden, an denen höchste Spannungen und Dehnungen auftreten. Mit diesem Wissen können konstruktive Designänderungen vorgenommen werden. Weiterhin wird vermutet, dass resultierende Spannungen deutlich gesenkt werden können, wenn die Implantate bereits bei der Fertigung eine Krümmung entsprechend der Herzgeometrie erhalten. Dazu werden flache und vorgeformte Stützstrukturen miteinander verglichen. Weitere Designs werden entworfen und simuliert.

In einem zweiten Schritt wird das Degradationsverhalten der Magnesiumlegierung in die FE-Simulation einbezogen. Hierzu muss zuerst der Korrosionsprozess von Magnesiumlegierungen verstanden werden. Dann werden numerische Degradationsansätze aus der Literatur bewerten und ein eigenes Modell abgeleitet. Dieses wird in den vorhandenen FE Code implementiert und getestet.

Die angefertigten Simulationen sind mit Experimenten zu validieren.

 

Ergebnisse:

Es wurde ein Modell entwickelt, mit dem die Bewegung der anterior basalen Herzregion nachgestellt werden kann. In der Simulation zeigte sich, dass eine bereits vorgeformte Struktur deutlich geringer belastet wird als eine anfänglich flache. Diese Erkenntnisse stimmen mit Versuchsdaten überein. Es wurden weitere Strukturen entwickelt von denen einige sehr vielversprechend sind. Ergebnisse können den angegebenen Publikationen entnommen werden.

Magnesiumkorrosion ist ein sehr komplexer Vorgang, der sich aus mehreren Mechanismen zusammensetzt. Es wurde ein Abstraktionsmodell entwickelt, welches mit nummerischen Modellen umgesetzt wird.