Gerhard A. Holzapfel gilt als Pionier der Biomechanik - Er simuliert Veränderungen von Blutgefäßen am Computer mit ingenieurwissenschaftlichen Methoden - Das soll die Prognose erleichtern
Als Gerhard A. Holzapfel in den 1980er-Jahren Bauingenieurwesen studierte,
konzentrierte sich sein Interesse zunächst auf Rohrsysteme in Atomkraftwerken.
Dass er sich schließlich auf die Mechanik der "Rohre" im menschlichen Körper
verlegte, war die Folge eines zweijährigen Forschungsaufenthalts an der
amerikanischen Stanford University. Dort wurde er als Schrödinger- Stipendiat am
"Department of Mechanical Engineering" erstmals mit Fragen der Biomechanik
konfrontiert.
Junger Wissenschaftszweig
"Anfang der 1990er-Jahre war dieser Wissenschaftszweig in den USA schon stark
im Kommen, während sich bei uns in diesem Bereich noch nichts bewegte", erinnert
sich der promovierte Maschinenbauingenieur. Also sorgte er selbst für Bewegung
und beantragte 1997 ein Startprojekt, das ihm prompt bewilligt wurde.
Rund eine Million Euro konnte er damit für das neue Forschungsfeld lukrieren
- eine Investition, die sich mehr als bezahlt gemacht hat. Mittlerweile leitet
Holzapfel das erste und bislang einzige österreichische Universitätsinstitut für
Biomechanik an der TU Graz, ist neben einer Reihe anderer Auszeichnungen Inhaber
des renommierten Erwin-Schrödinger-Preises und hat ein schlagkräftiges
Forscherteam aufgebaut.
Eines der menschlichen "Rohrsysteme", mit denen sich die österreichischen
Pioniere der Biomechanik befassen, ist die Aorta. In dieser größten Schlagader
des Körpers können durch Veränderungen der Arterienwand Aneurysmen, also
gefährliche Arterienerweiterungen, entstehen. "Üblicherweise muss sich der
Patient einem chirurgischen Eingriff unterziehen, wenn der Arteriendurchmesser
eine bestimmte Größe erreicht", erläutert Gerhard Holzapfel. Eine medizinische
Entscheidung, die allerdings nicht auf eindeutigen wissenschaftlichen Kriterien
beruhe. "Verstünde man die mechanobiologischen Vorgänge besser, die zur
Entstehung eines Aneurysmas führen, könnte man präventiv in das
Krankheitsgeschehen eingreifen", ist der Wissenschafter überzeugt. "Es könnten
frühzeitig Medikamente eingesetzt werden, die das Wachstum stoppen oder sogar
rückgängig machen."
Wie gefragt das Grazer Know-how auch auf internationaler Ebene ist, belegt
ein von den amerikanischen National Institutes of Health (NIH) finanziertes
Grundlagenprojekt zur Modellierung und Simulation des Bauchaorten-Aneurysmas.
"Wir arbeiten hier mit den Universitäten Yale, Stanford und Pittsburgh
zusammen", sagt Holzapfel nicht ohne Stolz. Die dreidimensionale Modellierung
und Computersimulation der krankhaften Umbildung der Aortenwand und des
begleitenden Wachstums des Aneurysmas, gestützt durch experimentelle
Erkenntnisse, bilden einen Schwerpunkt des NIH-Projekts. Ziel ist die
Entwicklung eines öffentlich zugänglichen Computercodes, an dem internationale
Forschergruppen weiterarbeiten können.
In einem vom Wissenschaftsfonds geförderten Projekt ergründen die Grazer
Forscher auch die Mechanik der Herzwand. "Zu diesem Zweck erforschen wir das
Gewebe zunächst experimentell im Labor", erläutert Holzapfel. "Anschließend
versuchen wir, mit diesen Daten das Gewebe im Modell abzubilden und schließlich
in ein Computermodell zu übertragen."
Herzwand im Fokus
Um die tatsächliche Lastverteilung in der Herzwand in ihren Modellen
berücksichtigen zu können, müssen die Wissenschafter auch die erst unzureichend
verstandene Struktur der Herzwand erforschen. Gelingt es, die Herzwand in
Computermodellen realitätsnah zu rekonstruieren, wird auch ihr (krankhaftes)
Verhalten unter bestimmten Bedingungen besser vorhersagbar sein.
Eine der großen Herausforderungen für die Forscher ist die zurzeit noch
unbefriedigende Datenlage. Denn die Zuverlässigkeit von Simulationen hängt
maßgeblich von der Qualität der verfügbaren Materialdaten ab. Ein wesentlicher
Bestandteil der Grazer Forschungsarbeit sind deshalb biomechanische Labortests.
Hier werden verschiedene Gewebe teils an selbst konstruierten Testmaschinen auf
ihre mechanischen Eigenschaften untersucht. So versuchen die Forscher etwa zu
klären, wie sich das Arteriengewebe verändert, wenn sich ein Thrombus, also ein
Blutgerinnsel, gebildet hat.
Verformung berechnen
"Heute verstehen wir bereits, wie sich ein Thrombus im Lauf der Zeit
verändert", berichtet Holz-apfel. Das sind wichtige Informationen für die
Modellierung, da ein junger Thrombus andere mechanische Eigenschaften und eine
andere Zusammensetzung aufweist als ein älterer. All diese Erkenntnisse in
Modelle und Simulationen umzusetzen, ist eine mathematische Herausforderung, bei
der die Kontinuumsmechanik zur Berechnung der Verformung ebenso zum Einsatz
kommt wie die Methode der finiten Elemente. (DER STANDARD, Printausgabe, 08.02.2012)
