Computersimulationen sind leistungsstarke Werkzeuge für die Entwicklung neuer medizinischer Geräte und Behandlungen. Im Zentrum für kardiovaskuläre Simulation (CCS) an der Universität von Texas, Austin, arbeitet die Gruppe von Dr. Michael Sacks daran, fortschrittliche kardiovaskuläre Simulationen bereitzustellen, damit Ärzte und biomedizinische Ingenieure wirksamere Behandlungen für Herz-Kreislauf-Erkrankungen entwickeln können. Die spezielle Forschung zielt darauf ab, die biomechanische Funktion des kardiovaskulären Systems vom Kontinuum - Zell- und Mikrofasergewebe - bis hin zur gesamten Organebene zu simulieren.
Damit diese biomechanischen Computermodelle genau funktionieren, müssen die Forscher zunächst die mechanischen Eigenschaften des Materials, das sie modellieren, verstehen. Seit den 1960er Jahren verwenden Forscher biaxiale Prüfgeräte, um zyklische Dehnungsversuche an Gewebe durchzuführen, in der Regel an Proben, die etwa 10 x 10 cm groß oder größer sind.
John Lesicko, ein Mitglied des CCS-Forschungspersonals, musste jedoch ein biaxiales Prüfgerät im Mikrobereich entwickeln. John erklärt, dass die Tierversuche schließlich an Mäusen durchgeführt werden sollten, deren Arterien klein sind, so dass eine biaxiale Prüfvorrichtung erforderlich war, die Proben mit einer Größe von nur 3 mm x 3 mm im Quadrat bearbeiten konnte.
Mit der neuen biaxialen Prüfvorrichtung wurden die Konstruktionsgrenzen überschritten. Zum Ziehen des Materials wurden Edelstahlstangen mit einem Durchmesser von 200 Mikrometern verwendet, und die einzelnen Befestigungspunkte mussten unabhängig voneinander betätigt werden, ohne dass sich die Stangen berührten.
Es war klar, dass die Gewebebefestigungselemente einen Halter oder eine Halterung brauchten, damit der gesamte Mechanismus richtig funktioniert. Aber die benötigte Größe war sehr klein. "Potomac war das erste 3D-Druckunternehmen, mit dem ich Kontakt aufnahm und das die von mir benötigten kleinen Größenordnungen bewältigen konnte", erklärt John. "Außerdem konnten sie zu einem vernünftigen Preis liefern. Andere mechanische Technologien waren viel teurer."
Wie bei den meisten neuen Entwürfen waren mehrere Änderungen des Prototyps erforderlich, um die Konfiguration zu optimieren, so dass das Projekt preisempfindlich war. Bei der digitalen Fertigung, z. B. beim 3D-Druck oder der Lasermikrobearbeitung, erfolgen alle Designänderungen in der Phase des Computer Aided Design.
Es war dann für John kostengünstig, schnell und einfach, den Prototyp zu ändern und verschiedene Ideen auszuprobieren. Er sagt: "Wir haben jetzt mehrere Iterationen durchlaufen, um das perfekte Design zu finden, und das ist unbezahlbar!" In der ersten Iteration bot das Design beispielsweise nicht genug Halt für die Stangen, so dass sie sich bogen und bogen, anstatt starr zu bleiben. "Innerhalb einer Woche", so John, "hatten wir einen Entwurf mit der notwendigen Unterstützung".
Mit der In-vitro-Modellierung an Tieren können die Forscher am CCS das mechanische Verhalten des Herz-Kreislauf-Systems testen und dann populationsbezogene Daten generieren, um der Biotech-Welt genaue Modelle für die Forschung zu liefern. Letztendlich strebt das CCS eine patientenspezifische Modellierung an, die interessanterweise Hand in Hand mit den einzigartigen Massenanpassungsfähigkeiten des 3D-Drucks für die direkte Herstellung personalisierter medizinischer Geräte arbeitet. In der Zwischenzeit unterstützen die 3D-Druckfähigkeiten von Potomac das CCS bei der Erstellung von Prototypen für neue Mikrotestgeräte, um in Zukunft allen Menschen mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen die Möglichkeit einer verbesserten Behandlung zu bieten.
