Forschung

Das UREPLACE-Projekt des Labors für Zellbiophysik beschäftigt sich im Rahmen der Regenerativen Medizin und des Tissue-Engineerings mit der Rekonstruktion des Ureters (Harnleiter). Diese bilden die Verbindung zwischen der Niere und der Harnblase und dienen dem Transport des anfallenden Urins hin zur Blase. Dieser aktive Transportprozess basiert auf einem peristaltischen Effekt, den man unter anderem auch aus dem Oesophagus (Speiseröhre) kennt. Dieses Projekt wird von verschiedenen Projektpartnern aus der Medizin, der Forschung und der Industrie gemeinsam bearbeitet, um möglichst viele Kompetenzen zu bündeln. Zahlreiche Krankheitsbilder, die zum Teil schon in der menschlichen Entwicklungsphase auftreten, können die Funktionalität des Ureters einschränken.

Zwischenschritt in der Entwicklung des Bioreaktors zur Züchtung einer tubulären Struktur, die in der Lage ist den Ureter hinreichend zu ersetzen.

Letztendlich fließen alle neuen Erfahrungen und Erkenntnisse in die Weiterentwicklung der Biomaterialien und des Bioreaktors ein, die die Regenerative und personalisierte Medizin damit einige weitere große Schritte voranbringen.

Gefördert durch: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie im Rahmen des PROgramms "Förderung der Erhöhung der INNOvationskompetenz mittelständischer Unternehmen"

Dabei kann es im äußersten Fall zum Verlust der Ureter wie auch der Nieren kommen. Bis heute gibt es nur unzureichende Methoden, um den Betroffenen zu helfen. Zur Zeit verwendet man textile tubuläre Strukturen, Stücke des Dünndarms und bei Frauen zum Teil auch Stücke der Eileiter, um die fehlerhaften Stellen zu überbrücken. Diese Alternativen führen jedoch zu weiteren Problemen; am häufigsten treten Restriktionen, Entzündungen und eine erhöhte Steinformation an den Transplantaten auf. 
Eine Herausforderung ist nun die Züchtung einer tubulären Struktur, die in der Lage ist den Ureter hinreichend zu ersetzen. Dies erfordert – und wird bei diesem Ansatz weltweit erstmalig durch das LZBP realisiert – eine Peristaltik des Ersatz-Ureters, für den aktiven Transport des Urins. 

Als Basismaterial für die Züchtung des Ureters wird eine drei-dimensionale Kollagenmatrix verwendet. Darauf werden körpereigene Zellen des Patienten dynamisch in einem Biorektor kultiviert. Im Wesentlichen dient diese Zellkultivierungsmethode einem gezielten Zelltraining, welches physiologische Muskelzellschichten ausbildet, die zu einer gerichteten Kontraktion der tubulären Struktur führen. 
Da die Peristaltik der wohl wichtigste Aspekt in diesem Zusammenhang ist, ist es auch notwendig, die verschiedenen mechanischen Parameter und Größen zu verstehen und nachzuempfinden. Dafür beschäftigt sich eine Arbeitsgruppe der Biomechanik der FH Aachen mit verschiedensten Simulationen und Werkstofftests. 

Bei dem Projekt Eceladus Explorer geht es um eine Weiterentwicklung der Einschmelzsonde "IceMole", die Prof. Dr.-Ing. B. Dachwald als Projektleiter zur Erforschung von Polarregionen, Gletschern und extraterrestrischen Regionen entwickelt hat. In die Sonde wird ein sauberer Eiskern eingezogen, um diesen mit Messinstrumenten zu analysieren. Der Vortrieb erfolgt durch eine Eisschraube und durch Schmelzen des Eises.

Das Projekt Enceladus Explorer erfolgt in Zusammenarbeit mit Prof. Dr.-Ing. B. Dachwald vom Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik der FH Aachen sowie  Dr. I. Digel vom Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik, Labor für Zell- und Mikrobiologie der FH Aachen. Dr. I. Digel beschäftigt sich innerhalb dieses Projekts um die Dekontamination der Sonde.

Prof. Dr. G. Artmann arbeitet mit seinem Team an der Entwicklung eines akustischen Navigationssystems, das es ermöglicht, eine Umfelderkundung durchzuführen, die das Erkennen von Hindernissen und die Identifikation von fließendem Wasser sowie Spalten im Eis ermöglicht. Akustische Elemente auf Piezobasis sollen verwendet werden, um vom Kopf des IceMole (IM) Signale im kHz bis MHz Bereich auszusenden. Hierdurch lassen sich sowohl die benötige
Reichweite als auch die entsprechende Auflösung einstellen. Änderungen des schallleitenden Mediums führen zu Reflektionen, deren Stärke in charakteristischer Weise vom Material abhängt. Mit Hilfe mehrerer
Sensor/Emitter soll eine ortsaufgelöste gezielte Naherkundung des Materials vor dem IceMole durchführt werden, um beispielsweise Steine oder Luft- bzw. Wasser-führende Spalten/Luftspalten zu erkennen. Das
Durchdringungsvermögen von Ultraschall in Eis ist sehr groß, sodass eine frühzeitige Erkennung von Hindernissen und somit die rechtzeitige Möglichkeit ein Ausweichmanöver einzuleiten, gegeben ist. Zudem geben die Daten exakte Hinweise darauf, wie nah und in welchem winkel man sich einer Wasserspalte oder einer Luftspalte genähert hat.

Die Entwicklung eines geeigneten Navigationssystems für das IceMole System eröffnet eine Vielzahl an möglichen terrestrischen Anwendungen dadurch dass wissenschaftliche Sensoren gezielt im Eis positionieren zu können. Dies
ermöglicht die Untersuchung auch von tiefen Eisschichten im Rahmen von glaziologischer, biologischer und Klimaforschung. Die Navigation liefert auch Daten über jegliche Art von Verschmutzung im Eis, Steine, Steiunverteilung,
Klüfte, Blasen, Hohlräume, Grenzflächen, Wasserläufe, Luftspalten und möglicherweise vieles mehr. U.U. kann auch eine Wiederfindung eingeschlossener Gegenstände im Eis realisiert werden (z.B abgebrochene Bohrköpfe vorheriger Missionen, Sonden, `Ötzis`, Mammuths etc.).