Technische Universität München: Biaxiale Dehnungsmessung der Aortenwand
Der Lehrstuhl für Numerische Mechanik an der Technischen Universität München (TUM) führt im Zuge der Forschungstätigkeiten Materialmodellierungen von biologischen Geweben unter großer Dehnung durch.
Unter anderem werden Modelle des menschlichen Gefäßsystems erarbeitet, die für die Forschung an Gefäßkrankheiten, wie z.B. an abdominalen Aortenaneurysmen, von zentraler Bedeutung sind. Hierfür setzt die TUM eine biaxiale Prüfmaschine von ZwickRoell ein.
Die an der TUM bisher eingesetzte Zugprüfmaschine zur Testung von Lungenproben war betreffend des Verfahrweges und der Zugkraft für die Untersuchungen an der abdominalen Aortenwand nicht geeignet. Darüber hinaus erfolgten die Messungen an Lungenproben nur uniaxial. Aus diesem Grund wurde für die Tests an Aortengeweben eine Biaxialprüfmaschine von ZwickRoell angeschafft. Diese Prüfmaschine ist speziell auf die zweiachsige Zugprüfung von natürlichen und künstlichen elastischen Geweben ausgelegt, sodass auch anisotrope Eigenschaften von diesen Geweben bestimmt werden können. Das ist ein wichtiger Faktor, um eine präzise Aussage in Bezug auf eine Operation treffen zu können, denn die mechanischen Eigenschaften der Aortenwand unterscheiden sich aufgrund der Ausrichtung der Fasern von anderen Gewebearten.
In der Biaxialprüfmaschine von ZwickRoell sind vier Linearantriebe integriert, die unabhängig voneinander geregelt werden. Die Kraftmessung erfolgt über (wasserdichte) Kraftaufnehmer, jeweils zwei in X- und Y-Richtung. Hinzu kommen die vier testControl Mess-, Steuer- und Regelelektronikeinheiten sowie ein Flüssigkeitsbehälter zur optimalen Temperierung des Mediums. Die maximale Prüfkraft liegt bei 100 N je Aufnehmer und die Auflösung erreicht 0.6 mN. Der Verfahrweg für die Zugmessung ist 50 mm (Auflösung 0,1 μm) und die maximale Geschwindigkeit 2.000 mm/min. Die Probe wird mit Hilfe der mitgelieferten Montagevorrichtungen außerhalb der Prüfvorrichtung montiert und fertig assembliert in das Messsystem eingebracht.
Ein weiterer zentraler Vorteil der neuen Biaxial-Prüfmaschine an der TUM ist der Laser-Speckle-Extensometer. Es ermöglicht eine berührungslose und zweidimensionale Dehnungs- und Verformungsmessung ohne Probenmarkierung. Das Messprinzip beruht auf der Auswertung von Specklemustern, die durch Beleuchtung der Probenoberfläche mit einem Laser entstehen, dort reflektiert und mit einer Kamera aufgenommen werden. Die Funktionen des Laser-Speckle-Extensometers sind vollständig in das ZwickRoell-Software-System testXpert integriert, das dem Anwender eine intuitive Bedienung und leistungsstarke Steuerfunktionen bietet.
Ein Nahziel der Untersuchungen an der abdominalen Aortenwand ist die Korrelation zwischen biologischer Stoffwechselaktivität, die mittels klinischer Bildgebung gemessen werden kann, und den mechanischen Eigenschaften der Arterienwand. Damit sind schließlich Aussagen über die lokalen mechanischen Wandeigenschaften möglich, ohne zuvor operativ Gewebeproben zu entnehmen. Diese nichtinvasive Methode zur Prognose von Wandeigenschaften ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg die medizinischen Behandlungsmethoden für den einzelnen Patienten individuell zu optimieren.
