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TiNi Dünnschicht-Herzklappen

Subject Area Synthesis and Properties of Functional Materials
Term from 2011 to 2016
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 197187018
 
Final Report Year 2016

Final Report Abstract

Dieses Forschungsprojekt befasst sich mit der Entwicklung von neuartigen, sehr dünnen Segeln für minimal invasiv implantierbare Herzklappenprothesen. Der Herstellungsprozess durch Magnetronsputtern, Lithographie, nasschemischem Ätzen und einer abschließenden Formgebung durch Erhitzen bieten vielfältige Möglichkeiten der Strukturierung der Segel und des Klappendesigns. Im Rahmen dieser Forschung wurde ein Prozess zur Herstellung von dreisegeligen Herzklappenstrukturen entwickelt. Unterschiedliche Klappensegel wurden in hydrodynamischen Untersuchungen unter physiologischen Bedingungen charakterisiert und erreichten im Vergleich zu einer etablierten biologischen Herzklappe gute Ergebnisse in der Funktionalität. Beste Ergebnisse zeigten Klappensegel mit einer Schichtdicke von 10 µm und 15 µm. Ein Überlapp (Koaptation) zweier benachbarter Segel führte zwar zu einem geringeren Rückflussvolumen durch die geschlossene Klappe, erhöhte allerdings die Steifigkeit der Segel, was wiederum das Öffnungsverhalten und die systolischen Eigenschaften der Klappe verschlechterte. Um die Flexibilität und damit die Öffnungseigenschaften der Klappen zu verbessern, wurden Klappensegel mit einer rautenförmigen Mikrostruktur hergestellt. Die hervorragende Biokompatibilität von NiTi bietet zudem die Möglichkeit, mikrostrukturierte NiTi Gerüste für Zellbesiedelung zu nutzen. Eine Besiedelung von NiTi Netzen mit unterschiedlichen Strukturgrößen zeigte nach einer Inkubation von 7 Tagen mit CD133+ Vorläuferzellen und glatten Muskelzellen eine nahezu durchgängige Zellschicht auf der Oberfläche. Hierbei wurde beobachtet, dass die kleinere Struktur eine höhere Bedeckung mit Zellen aufwies. In hydrodynamischen Experimenten mit einem Herzklappentester wurden die funktionalen Eigenschaften der strukturierten Klappensegel mit NiTi Vollmaterial Klappensegeln und mit einer biologischen Klappe verglichen. Zusätzlich wurden strukturierte Klappensegel im Inkubator für 7 Tage mit glatten Muskelzellen besiedelt. Die strukturierten Segel zeigen eine sehr gute Flexibilität, was sich in einer großen Öffnungsfläche und gleichmäßigen Öffnungs- und Schließbewegungen der drei Klappensegel zeigt. Durch die Besiedelung mit den Zellen werden die rautenförmigen Löcher in der Struktur geschlossen. Dadurch erhöht sich die Dichtigkeit der strukturierten Segel enorm und erreicht im geschlossenen Zustand fast die diastolischen Druckdifferenzen der NiTi Vollmaterial und der biologischen Referenzklappe. Die systolischen Eigenschaften der Segel und das Öffnungsverhalten werden durch die Besiedelung mit den Zellen nicht beeinflusst. Die Ergebnisse aus diesem DFG Forschungsprojekt zeigen, dass Magnetronsputtern von NiTi und eine anschließende Formgebung ein geeigneter Prozess zur Herstellung von neuartigen, sehr dünnen Herzklappensegeln für minimal invasiv implantierbare Herzklappenprothesen ist. Die mikrostrukturierten NiTi Segel bilden ein stabiles Gerüst für Tissue Engineering und bieten eine Möglichkeit zur Entwicklung von Hybrid Herzklappensegel. Aus diesem Prozess könnte eine haltbare Alternative zu den heutigen, in der minimal invasiven Herzklappenimplantation verwendeten und in der Haltbarkeit begrenzten biologischen Klappensegeln hervorgehen.

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