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Das Wechselspiel der Kräfte

In der Biomechanik geht es nicht nur um Kräfte und Bewegungen, die der Organismus generiert, sondern auch um die Effekte von Kräften, die von außen auf Zellen und Organe einwirken: Mechanische Kräfte können gezielt als Stimulus für Veränderungen im Körper eingesetzt werden. Die biomechanischen Grundlagen für beides erforschen Wissenschaftler der Kontinuumsmechanik an der Uni Stuttgart.

„Die Kontinuumsmechanik ist die Mutter der Mechanik“, bringt Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Ehlers vom Institut für Mechanik (Bauwesen) sein Forschungsgebiet auf den Punkt. Vereinfacht ausgedrückt, befasst sich die Kontinuumsmechanik mit der Verformung von Körpern jeglicher Art. Schwierig wird es, wenn Körper aus mehreren Komponenten wie Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen bestehen. Um sie überhaupt berechenbar zu machen, werden gewisse Vereinfachungen angewendet, fachsprachlich wird homogenisiert: Die Ingenieure definieren rechnerische Grenzen, innerhalb derer sie einen Körper als homogenen Stoff, als einheitliches Kontinuum betrachten.

Einer der Forschungsschwerpunkte des Bauingenieurs Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Ehlers ist die Biomechanik. © SimTech, Uni Stuttgart

 „Wir homogenisieren über repräsentative Volumenelemente, deren Komponenten über geeignete Kopplungsterme interagieren können. Dazu muss man natürlich den Grad der Abstraktion beherrschen", sagt Ehlers und deutet damit bereits an, dass es sich um keine leicht zu beherrschende Wissenschaft handelt: „Die Mechanik und die Mathematik sind die großen Hürden im Ingenieurstudium", bestätigt der Professor.

Sich als Bauingenieur auch mit Kontinuums-Biomechanik zu befassen, findet er nicht weiter ungewöhnlich, schließlich war es für ihn eine logische Entwicklung. „Als Bauingenieur habe ich Setzungen von Gebäuden und auch Schwell- und Schrumpfprozesse gerechnet und bin im Laufe der Zeit auch auf biologische Medien gestoßen. Wobei man wissen muss, dass die Biomechanik früher eher der Starrkörpermechanik zuzurechnen war, die vor allem in der Sportwissenschaft behandelt wurde", so Ehlers. Die Kontinuums-Biomechanik kam erst vor etwa 15 Jahren ins Spiel, Prof. Dr. Gerhard Holzapfel von der Uni Graz war einer der Pioniere auf diesem Gebiet, wie Ehlers erzählt. Heute stößt die Kontinuums-Biomechanik auf immer größeres Interesse, was auch daran liegt, dass eine ihrer großen Visionen in machbare Nähe rückt: die Realisierung eines umfassenden Menschmodells, zu dem Ehlers und sein Stuttgarter Team ihren Part beitragen.

Die Vision: ein umfassendes Menschmodell

„Es wird heute vorstellbar, alle Teile eines Organismus zu rechnen – es ist nicht mehr völlig undenkbar“, sagt Ehlers. Eine Teilmenge haben er und sein Team bereits bewältigt, nämlich die rechnerische Darstellung der menschlichen Bandscheibe. Sie kann jetzt in Simulationen realistischen Kräften und Belastungen ausgesetzt werden, und die Forscher sehen am Bildschirm, wie sie sich verformt und wann pathologische Zustände auftreten. Bis Ärzte die Berechnungen und Modelle für ihre Diagnosen und Therapieentscheidungen nutzen können, müssen sie erst noch in geeignete medizinische Tools transferiert werden, aber der Weg in die Praxis ist vorgezeichnet. Ein wichtiger nächster Schritt ist die ganzheitliche Betrachtung des kompletten muskuloskelettalen Systems der Wirbelsäule. Juniorprofessor Oliver Röhrle, Ph. D., gehört zu Ehlers Team und will dafür ein- und dreidimensionale Muskelmodelle erstellen. Beide Professoren gehören zum Exzellenzcluster Simulation Technology, kurz SimTech, über den sie interdisziplinär mit anderen Spitzenforschern zusammen arbeiten, um das Menschmodell zu realisieren.

In der Biomechanik wird auch die Belastung der Wirbelsäule untersucht. © Institut für Mechanik (Bauwesen)

Obwohl alle Arbeiten in Ehlers Gruppe Grundlagenforschung sind, liegt der medizinische Wert der biomechanischen Projekte also auf der Hand. Mitunter kommen auch Anregungen zu Forschungsarbeiten direkt aus der Praxis. So entstand ein Projekt aus dem Kontakt zu einem Herzspezialisten, der krankhafte Herzmuskel-Veränderungen auf dem Röntgenbild gesehen hat, aber keine Belastung damit korrelieren konnte. Ehlers Team benutzte ein Computermodell, mit dem Belastungen simuliert wurden. „Es zeigte sich, dass Belastungsspitzen genau dort auftraten, wo die Veränderungen zu sehen waren“, so Ehlers. Auch die Ergebnisse dieses Projekts tragen einen Teil zum Menschmodell bei. „Wir werden das Menschmodell weiterentwickeln und langfristig auch den gesamten Metabolismus einbeziehen“, sagt Ehlers zum weiteren Vorgehen.

Mechanische Stimuli bei der Stammzellentwicklung

Das Modell zeigt die ungleichmäßige Verteilung der Kollagenfasern im Faserknorpelring (Anulus Fibrosus) der Bandscheibe. © Dr. Nils Karajan, Institut für Mechanik (Bauwesen)

Vor wenigen Monaten hat Ehlers in seiner Gruppe ein Projekt gestartet zur kontinuumsmechanischen Berechnung von mesenchymalen Stammzellen (MSC). Es ist Teil eines BMBF-Verbundprojekts, bei dem erforscht wird, was dazu führt, dass MSC zu Knochenzellen differenzieren. Ehlers Gruppe untersucht mechanische Stimuli in Bezug auf die Knochenbildung. „Wir behandeln das als Mehrkomponentenansatz. Wir haben die Zellmembran, darin eine Flüssigkeit und Festkörperanteile. Nun geht es darum, mechanische Abstraktionsmodelle dazu zu entwickeln", so Ehlers. Außerdem befasst sich eine Doktorandin mit der kontinuumsmechanischen Berechnung des Zellwachstums auf Knochenebene - ein Projekt, das auch neue Erkenntnisse für die Tumorforschung liefern könnte.

Ein weiteres Projekt, das zurzeit in Planung ist, befasst sich mit der Therapie von Gehirntumoren. Da die meisten pharmazeutischen Wirkstoffe nicht in der Lage sind, die Blut-Hirn-Schranke zu durchdringen, werden sie bei einigen Tumor-Indikationen direkt in das Gehirn injiziert. Die Biomechaniker wollen nun die raumgreifenden Veränderungen berechnen, die dabei auftreten. „Neben dem Einfluss des Wirkstoffs auf die Tumorzellen muss auch der durch die Injektionsflüssigkeit verursachte mechanische Druck auf die Tumorzellen berücksichtigt werden, durch den die Verteilung des Wirkstoffs maßgeblich beeinflusst wird. Bisherige Simulationen berücksichtigen zwar die Verteilung, aber eben nicht unter dem Einfluss dieser Raumveränderungen", sagt Ehlers.

Bei derartig vielen medizinisch relevanten Forschungsarbeiten ist es keine Überraschung, dass Ehlers die Biomechanik auch in die Lehre einbringt. Aktuell wird sie Bestandteil des Lehrplans im neuen interuniversitären Studiengang Medizintechnik, den die Universitäten Stuttgart und Tübingen zum Wintersemester 2010/2011 starten. „Wir werden eine Wahlveranstaltung Biomechanik anbieten, die zurzeit konzipiert wird", bestätigt Ehlers.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/das-wechselspiel-der-kraefte