Gefäß-Gewebetransport von Wirkstoffen beschichteter Implantate

Modellierung der Transportvorgänge

Projektmitarbeiter

Name/Vorname Titel Position Raum Telefon E-Mail
Botterweck, Henrik Prof. Dr. rer. nat. Projektleitung 36-1.09 +49 451 300 5449 E-Mail
Klein, Stephan Prof. Dr.-Ing. Projektleitung 64.100.00.043.00 +49 451 300 5375 E-Mail
Klepsch, Tobias M.Sc. Doktorand 64.100.00.041.00 +49 451 300 5563 E-Mail

Motivation

Wirkstoffbeschichtete Implantate geben Wirkstoffe in ihre Umgebung ab, die Heilungs- und Anwachsprozesse unterstützen [1]. Sie haben ein breites Anwendungsspektrum, obwohl die Mechanismen der Arzneistofffreisetzung und des Transports in das umliegende Gewebe nur in Grundzügen bekannt sind: zum einen die Diffusion durch eine Barriere (Blutgerinnsel, Bindegewebe, Knochenmatrix), zum anderen der fluidische Transport in kapillaren Gefäßen. In-vitro Untersuchungen korrelieren nur schlecht mit der in-vivo Freisetzung: Da die transportierte Stoffmenge lediglich makroskopisch bestimmt wird, sind eine Übertragung auf die Realität und die Optimierung für diesen Fall praktisch nicht möglich.

Projektziel

Dieses Projekt hat die grundlegende Beschreibung und Simulation der stattfindenden Transportvorgänge vom Implantat in seine Umgebung, sowie der weiteren Ausbreitung in angrenzende Gewebe zum Ziel. Das Wechselspiel mechanischer Werkstoffparameter des Implantats einerseits und biophysikalischer Gesetzmäßigkeiten von Gefäßen und Gewebe andererseits bestimmt die Freisetzung und Wirksamkeit der eingesetzten Pharmazeutika.

Lösungsansatz

Die Simulation des Wirkstofftransports erfolgt in Form von Finite-Elemente-Modellen und die Entwicklung eines experimentellen Ansatzes zur Verifizierung des Modells bildet einen Forschungsschwerpunkt. Dazu wird ein Kontrastmittel als Modell für einen medizinischen Wirkstoff herangezogen und dessen Ausbreitung in Gewebe mithilfe von Mikrocomputertomographie untersucht [2]. Gepaart wird die Verbindung aus Transportsimulation und Experiment durch Simulationen der Röntgentransmission [3].

Quellen

Nr Autoren Titel Journal
[1] F. Galbusera, L. Bertolazzi, R. Balossino, and G. Dubini Combined computational study of mechanical behaviour and drug delivery from a porous, hydroxyapatite-based bone graft Biomechanics and Modeling In Mechanobiology 8 (3), 2009, pp. 209–216
[2] T. Klepsch, M. R. Steffner, H. Botterweck Quantification of contrast agent transport in a porous scaffold using µCT Biomedical Engineering / Biomedizinische Technik. Volume 60 Track N, Issue s1, ISSN (Online) 1862-278X, ISSN (Print) 0013-5585, DOI: 10.1515/bmt-2015-5012, Abstract No. N32, September 2015
[3] T. Klepsch, F. Eckardt, H. Botterweck Deducing spectral information in a μ-CT scanner for use in verified drug transport simulations Biomed Eng - Biomed Tech.; Vol. 61, issue S1, issn 0013-558, (s231), Aug. 2016