Die Rolle der Mesoskalenstruktur für die Mechanik muskuloskelettaler Gewebe

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Böl
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320032210

Muskel und Sehnengewebe stellen spezielle weiche Gewebe des Bewegungsapparates dar, die eine ausgeprägte strukturelle Ähnlichkeit aufweisen: eine hierarchische röhrenförmige Architektur und eine vorwiegend uniaxiale Ausrichtung von länglichen Strukturen entlang einer Vorzugsrichtung. Das unterscheidet sie von anderen Körpergeweben. Im Vergleich zu den Zugeigenschaften wurde dem Verhalten von Muskel- und Sehnengewebe unter Druckbelastungen bisher eher wenig Beachtung geschenkt, obwohl beide Gewebe in-vivo solchen Zuständen ausgesetzt sind. Aktuelle Arbeiten der Antragsteller haben eine ungewöhnliche Anisotropie in der Reaktion dieser Gewebe auf Druck gezeigt und lassen auf eine wichtige Rolle der hierarchischen Organisation der extrazellulären Matrixstrukturen für die Stabilisierung der faserartigen Komponenten schließen. Diese Untersuchungen helfen dabei, das Verständnis der Lastübertragung in diesen Geweben zu verbessern und haben Auswirkungen auf die Modellentwicklung und Simulation.Ziel dieses Projekts ist ein umfassendes Verständnis der strukturellen Anordnungen und Mechanismen, die das besondere Verhalten muskuloskelettaler Gewebe unter multiaxialen Belastungen bestimmen. Zu diesem Zweck wird die Rolle mesoskaliger, von der extrazellulären Matrix gebildeter Strukturen für das mechanische Verhalten von Muskel- und Sehnengewebe im Detail untersucht, mit einem Schwerpunkt auf verschiedene Asymmetrien, die zwischen dem Zug- und Druckverhalten beobachtet werden. Nichtlineare Gewebeeigenschaften sowie Materialeigenschaften der Mesoskala unter multiaxialen Belastungen werden in umfangreichen speziell konstruierten Experimenten auf verschiedenen Längenskalen bestimmt. Histologische Gewebeschnitte werden unter verschiedenen Belastungen angefertigt und verwendet, um Computermodelle für Multiskalen-Finite-Elemente-Simulationen zu erstellen. Anhand von in-situ Experimenten mittels nichtlinearer optischer Laser-Mikroskopie wird der Zusammenhang zwischen der Belastung des Gewebes und der Veränderung der darin enthaltenen Strukturen auf der Mesoskala untersucht. Die Gesamtheit der experimentellen Ergebnisse zusammen mit den Erkenntnissen, die detaillierte Finite-Elemente-Simulationen liefern, werden schließlich für die Entwicklung einer Klasse von konstitutiven Modellen zur Beschreibung des besonderen, nichtlinearen, anisotropen Verhaltens der weichen Gewebe des Bewegungsapparates verwendet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Partnerorganisation: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
• Kooperationspartner: Dr.-Ing. Alexander E. Ehret