Entwicklung und Validierung eines Versagensmodells des gesunden porzinen Darmes

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Böl; Professor Dr. Tobias Siebert
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517120982

Gastrointestinale Perforationen (GIPen) führen zu einer hohen Mortalität und erfordern in der Regel Notfalloperationen. Sie sind mit einer hohen Mortalität assoziiert, insbesondere dann, wenn sie spät diagnostiziert und therapiert werden. Da weder experimentelle Untersuchungen noch numerische Modelle zur Beschreibung von GIPen zur Verfügung stehen, ist die zugrunde liegende Mechanik bisher weitgehend ungeklärt. Das Forschungsprojekt zielt daher darauf ab, (i) die grundlegenden mechanischen Prozesse, die während einer GIP auftreten, erstmals durch schichtspezifische Experimente sowohl unter aktiven als auch passiven Bedingungen zu verstehen und (ii) diese erstmals mit Hilfe eines numerischen dreidimensionalen Modells, das auf der Grundlage dieser Experimente kalibriert und validiert werden soll, zu beschreiben und vorherzusagen. Zur Umsetzung dieses Ziels, wird Darmgewebe von gesunden Schweinen verwendet, da dieses strukturell und funktionell den humanen Darmgewebe ähnlich ist. Die Präparate werden sowohl biomechanisch als auch histologisch untersucht, um aus positionsabhängigen Informationen mikrostrukturelle und mechanische Eigenschaften zu identifizieren. Zum einen werden Experimente an Gewebestreifen zur Charakterisierung der passiven und aktiven Eigenschaften durchgeführt. Dies beinhaltet sowohl klassische uniaxiale und biaxiale Experimente an Darmgewebe im unbeschädigten Zustand als auch Versagensexperimente an Präparaten mit Gesamtwandaufbau sowie isolierten Gewebeschichten. Zum anderen wird der Darmwandaufbau in histologischen und strukturellen Analysen erfasst. Basierend auf diesen Kenntnissen und einem bereits bestehenden Modell, welches in der derzeitigen Form nur das rein passive Versagensverhalten des Gesamtwandwandaufbaus berücksichtigt, wird ein aktivierungsabhängiges, schichtspezifisches Versagensmodell des gesunden porzinen Darmes entwickelt. Dieses umfasst eine detaillierte Beschreibung der geschichteten Mikrostruktur des Darmgewebes, einschließlich kinematischer Nichtlinearität, anisotroper Eigenschaften, Inkompressibilität und Grenzflächenverhalten, unter Einbeziehung eines variationsbasierten Phasenfeldmodellierungsansatzes für Schäden und Brüche. Durch dieses umfassende Berechnungsmodell werden GIPen im Dünn- und Dickdarm quantitativ beschrieben. Das Modell wird auf der Gewebestreifenskala kalibriert und validiert. Als Ergebnis dieses Projekts wird das weltweit erste biomechanische, schichtspezifische Modell zur Beschreibung von GIPen zur Verfügung stehen. Dieses Modell stellt die Grundlage für eine zukünftige klinische Verwertung der im Projekt gewonnenen Erkenntnisse sowie die Einbeziehung der Eigenschaften von humanem Gewebe dar. Eine Besonderheit des Modells wird die umfangreiche experimentelle Datenbasis sein, auf deren Grundlage es entwickelt und validiert wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen