Modellbasierte Entwicklung von biohybriden Implantaten am Anwendungsbeispiel einer Herzklappe

Böhm, Christian Andreas; Jockenhoevel, Stefan; Moza, Ajay

doi:10.18154/RWTH-2026-06140

Modellbasierte Entwicklung von biohybriden Implantaten am Anwendungsbeispiel einer Herzklappe = Model-based development of biohybrid implants using the application example of a heart valve

Böhm, Christian Andreas^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Andreas Böhm, M. Sc. (RWTH)

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Jockenhoevel, Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Moza, Ajay (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-05-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-06140
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1037636/files/1037636.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet NRW-Schwerpunktprofessur Biohybrid & Medical Textiles (923810)

Projekte

DFG project G:(GEPRIS)403471716 - Experimentelle Untersuchungen und Modellierung von biohybriden Herzklappen inklusive Gewebereifung – von in vitro zu in situ Tissue Engineering (403471716) (403471716)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Der Entwicklungsansatz von tissue-engineerten Implantaten ist zum Großteil iterativ. Es werden Annahmen zu einem über Zellwachstum, mechanische Charakteristika des Scaffolds und der Interaktion von Zellen und Scaffold getroffen. Basierend auf diesen Annahmen wird ein Konzept entwickelt und experimentell überprüft. Basierend auf den Ergebnissen werden weitere Vereinerungen vorgenommen oder das Konzept komplett verworfen. Letzteres wird in der Literatur nicht abgebildet aber es muss angenommen werden, dass es ein nicht unerheblicher Teil der Forschungsarbeit ist. Eine Alternative zu dem iterativen Entwicklungsansatz ist der Modellbasierte Entwicklungsansatz. Hier wird auf Basis von experimentellen Daten ein Computermodel genutzt um Konzepte in-silico zu testen und optimieren und danach in-vitro zu validieren. Dies hat den Vorteil, dass der Zeit und Material Aufwand reduziert werden können. In dieser Arbeit wurde ein erster Schritt in Richtung einer modellbasierten Entwicklung gemacht. Zum einen wurde eine Methode entwickelt um das Zellwachstum, Entwicklung der extrazellulären Matrix und die Zell-Scaffold Interaktion zu Evaluieren. Zum anderen wurde auf Basis mechanischer Simulationen ein Scaffold für Herzklappen entwickelt. Zur Evaluierung der des Zellwachstums wurde ein Stabmodell aus Hydrogel und Zellen entwickelt, das sowohl mit einer isometrischen Kraft als auch dynamisch kultiviert werden kann zusätzlich ist es möglich ein Scaffold einzubringen. In diesem Speziellen Fall wurde eine Kombination aus Myofibroblasten aus Nabelschnüren und Fibringel mit und ohne einem Scaffold (Tuell-Filet Gewirk) genutzt, die sowohl statisch unter Applizierung einer isometrischen Kraft als auch dynamisch mit einer Dehnung von 10% kultiviert wurden. Die Versuche haben gezeigt, dass eine dynamische Kultivierung von Tag 0 an die Bildung von ECM in-vitro limitiert. In den Statisch kultivierten Proben zeigen die nicht-verstärkten Proben einen höheren Kollagengehalt und eine stärkere Orientierung in Lastrichtung. Zusätzlich wurde ein lastorientierter Scaffold für Herzklappen entwickelt. Dieser besteht aus Einzelfäden in Lastrichtung und einem isotropen elektrogesponnenen Vlies. Dabei wurde der Winkel für die Fadenablage modelgesteuert bestimmt. Für die Herstellung der Scaffolds wurde ein Kollektor entwickelt, der es ermöglicht die Fäden zu platzieren und zu fixieren ohne die Klappenflächen zu beeinträchtigen. Der Scaffold wurde mechanisch und haemodynamisch charakterisiert. Die mechanische Testung wurde bi-axial durchgeführt um der Anisotropie der nativen Herzklappe gerecht zu werden. Die Ergebnisse zeigen, dass es gelungen ist die Anisotropie der Herzklappe abzubilden. Der Scaffold besitzt jedoch nicht die Elastizität der nativen Klappe so ist verliert der Scaffold über mehrere Testzyklen signifikant an Festigkeit. Die haemodynamische Testung in Anlehnung an ISO 5840 hat ergeben, dass die Klappe die Benchmark Tests erfüllt. Diese Arbeit ist ein erster Schritt zu einer modellbasierten Entwicklung im Tissue-Engineering. Um die Vorhersagegenauigkeit des Models zu beschreiben, benötigt es jedoch mehr Daten und eine Diversifizierung der Ausgangsmaterialien.

The development approach for tissue-engineered implants is largely iterative. Assumptions are made about cell growth, mechanical characteristics of the scaffold and the interaction of cells and scaffold. Based on these assumptions, a concept is developed and tested experimentally. Based on the results, further unifications are made or the concept is completely discarded. The latter is not depicted in the literature, but it must be assumed that it is a not insignificant part of the research work. An alternative to the iterative development approach is the model-based development approach. Here, a computer model is used on the basis of experimental data to test and optimize concepts in silico and then validate them in vitro. This has the advantage that time and material costs can be reduced. In this work a first step towards a model-based development was made. On the one hand, a method was developed to evaluate cell growth, development of the extracellular matrix and cell-scaffold interaction. On the other hand, a scaffold for heart valves was developed on the basis of mechanical simulations. To evaluate the cell growth, a rod model of hydrogel and cells was developed, which can be cultivated with an isometric force as well as dynamically. In addition, it is possible to introduce a scaffold. In this particular case, a combination of myofibroblasts from umbilical cords and fibrin gel with and without a scaffold (Tuell-Filet knit) was used, which were cultivated both statically by applying an isometric force and dynamically with an elongation of 10%. The experiments have shown that dynamic cultivation limits the formation of ECM in vitro from day 0. In the statically cultured samples, the non-strengthened samples showed a higher collagen content and a stronger orientation in the load direction. In addition, a load-oriented scaffold for heart valves was developed. This consists of individual threads in the load direction and an isotropic electrospun fleece. The angle for the thread placement was determined by the model. A collector was developed for the production of the scaffolds, which makes it possible to place and fix the threads without affecting the flap surfaces. The scaffold was characterized mechanically and hemodynamically. The mechanical testing was performed bi-axially to account for the anisotropy of the native heart valve. The results show that the anisotropy of the heart valve was successfully reproduced. However, the scaffold does not have the elasticity of the native valve, so the scaffold loses significant strength over several test cycles. Hemodynamic testing in accordance with ISO 5840 has shown that the flap meets the benchmark tests. This work is a first step towards model-based development in tissue engineering. However, in order to describe the predictive accuracy of the model, more data and a diversification of the starting materials are required.

OpenAccess:
PDF
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