Von der Muskelfaser zum Gewebe - Experiment, Modellierung und Simulation auf Mikro-, Meso- und Makroskala

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Böl; Professor Dr. Andreas Dietzel
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Mechanik ; Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258667461

In diesem Forschungsprojekt sollen komplexe, mehrachsige Spannungszustände der Skelettmuskulatur detailliert untersucht und in ein Mehrskalenmodell überführt werden. Dabei ist das wesentliche Ziel dieses Projektes, die Bedeutung der extrazellulären Matrix (ECM) für das passiv mechanische Verhalten des Muskelgewebes zu ermitteln und somit dessen Änderungen aufgrund von quantitativen und/oder strukturellen Änderungen der ECM vorhersagen zu können. Diese Kenntnisse sind von großer medizinischer und sozioökonomischer Bedeutung, konnten aber mit bisherigen Untersuchungsmethoden nicht erworben werden. Um die Forschung auf diesem Gebiet deutlich voran zu treiben, werden in diesem Vorhaben die Fachgebiete Mikrosystemtechnik und Festkörpermechanik kombiniert, was eine innovative Herangehensweise darstellt, welche die Entwicklung völlig neuer Methoden zur experimentellen Untersuchung und zur Modellierung des Muskelgewebes ermöglicht. Dazu ist die Durchführung umfangreicher experimenteller Untersuchungen auf unterschiedlichen Skalen geplant. So sollen in einem ersten Schritt axiale Zug- sowie axiale/transversale Druckexperimente an einzelnen Muskelfasern bzw. Muskelfasersegmente auf der Mikroskala (10-90 µm) durchgeführt werden. Auf der Mesoskala (0,1-1 mm) hingegen, werden in einem Folgeschritt Kompressions- sowie Schubkompressionsexperimente an aus Muskelfaszikeln herausgeschnittenen Kuben durchgeführt. Kuben, welche aus Muskelgewebe herausgeschnitten und beprobt werden, bilden die Makroskalenexperimente (1-24 mm).Zur Durchführung dieser Experimente werden spezielle Versuchsaufbauten entwickelt, deren wesentliche Komponenten mikrotechnisch gefertigte Parallelgreifer sind. Mit ihnen können einzelne Muskelfasern und mittels Ultra-kurz-Puls-Laser aus Muskelfaszikeln herausgeschnittene Kuben unterschiedlich belastet und Kräfte, Stellwege und Verformungen detektiert werden. Die Versuche auf der Makroebene werden mit bekannten Methoden durchgeführt. Basierend auf den Mehrskalenexperimenten und mit Hilfe inversen Finite-Elemente-Methode wird ein dreistufiger Identifizierungsprozess etabliert, so dass erstmals eine Eigenschaftsbestimmung der ECM erfolgen kann, auf deren Basis ein Mehrskalenmodell entwickelt und validiert wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen