Forschungskolleg LUMEN

Gefäß-Gewebe-Transport von Wirkstoffen beschichteter Implantate: Modellierung der Transportvorgänge

Projektziel

In silico Modellierung von Diffusions- und Advektionsvorgängen in Kapillaren und porösen Grenzflächen bei der Wirkstoffablösung von beschichteten Implantaten.

Beschreibung

Ziel ist das Verständnis der Wirkstofffreisetzung aufgrund des mikroskopischen Transports in Trabekeln, Grenzflächen und Kapillaren. Das Wechselspiel me-

chanischer Werkstoffparameter des Implantats  einerseits und biophysika-lischer Gesetzmäßigkeiten von Gefäßen und Gewebe andererseits bestimmt die Freisetzung und Wirksamkeit der eingesetzten Pharmazeutika. Es werden Techniken der Homogenisierung partieller Differentialgleichungen angewandt – Multiskalenmethoden zur Verknüpfung der mikro- und makroskopischen Vorgänge. Nichtlineare Konvektions-Diffusions-PDGn wie die Richardsgleichung ergeben bei porösen Medien i. A. Lösungen mit kompaktem Träger, also eindeutigen Ausbreitungsfronten. Ihre Anwendbarkeit für das gestellte Problem wird numerisch untersucht. Entscheidend ist die Vorhersage empirisch bestimmbarer Größen.

Ergebnisse

Nach anfänglichen Verzögerungen hat sich die Möglichkeit der experimenteller Validierung aufgrund neuer Ressourcen bei der Bildgebung – ein Mikro-CT dient der Verifikation von Knochenstrukturen und der diffusiven Kontrastmittelausbreitung – deutlich verbessert. Die Ergebnisse werden von allen Projektbeteiligten positiv bewertet. In Zusammenarbeit mit dem klinischen Partner konnte bestätigt werden, dass bislang kein Modell bekannt ist, das die zu untersuchenden Ausbreitungsvorgänge hinreichend genau beschreibt. Die Modellierung erweist sich dabei als Herausforderung, weil die Eigenschaften von Knochengewebe schwer zu fassen und radiographisch nur eingeschränkt darstellbar sind. Mithilfe des neu erarbeiteten Ansatzes, ein Kontrastmittel als Modellsubstanz für einen Wirkstoff zu nutzen, ist eine neue Chance entstanden, das Modell mit experimentell zugänglichen Parametern abzugleichen. Mit den neu zu erarbeitenden Methoden wird es möglich sein, schon bald ein erweitertes Modell zu generieren, das in verifizierbarer Weise das biologische System besser abbildet

Projektleitung

Prof. Dr. rer. nat. Henrik Botterweck
Labor für Medizinische Bildgebung
Fachhochschule Lübeck

Verantwortliche Wissenschaftler

Tobias F. Klepsch, M.Sc.
Labor für Medizinische Bildgebung
Fachhochschule Lübeck

Projektpartner

Prof. Dr. rer. nat. Christian Hübner
Institut für Physik
Universität zu Lübeck

Stryker Trauma GmbH
Schönkirchen