• Mikromechanik Innenohr

Fluid-Struktur-Modelle zur Mechanik und Pathomechanik des Innenohrs

Im Rahmen der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekte Za 249/4, Ha 2075/9, Gr 1388/14, Gu 194/7 und Vo 899/6 wurden Finite-Elemente-Modelle von Strukturen des Cortischen Organs des Innenohres von Säugetieren auf unterschiedlichen geometrischen Skalenniveaus erstellt. In jeder dieser Skalenniveaus liegt ein biologisches System vor, das durch eine inhomogene Mikrostruktur, Mehrphasigkeit und Anisotropie in den Materialeigenschaften einen hohen Grad der Komplexität aufweist und darüber hinaus einer großen Variabilität unterliegt. Mittels der erstellten FE-Modelle können jedoch grundlegende Aussagen über die mechanischen Eigenschaften der Strukturen als auch deren Funktionen im Hörprozess gemacht werden.

Basilarmembran

Die Basilarmembran trennt die Scala Media von der Scala Tympani der Cochlea. Unter morphologischen Gesichtspunkten wird die Basilarmembran in radialer Richtung in die zona arcuata und die zona pectinata eingeteilt. Erstere weist eine regellose kurzfaserige Aktinstruktur auf, die makroskopisch auf ein isotropes Materialverhalten schließen lässt. Dem gegenüber zeigt die zona pectinata in radialer Richtung eine stark ausgeprägte Kollagenfaserstruktur, deren Packungsdichte exponentiell mit der Längskoordinate in apikaler Richtung abnimmt. Die Faserorientierung als auch die Ortsveränderlichkeit der Packungsdichte lassen auf ein gradiertes, orthotrop anisotropes Materialverhalten schließen. Am Beispiel der Meerschweinchencochlea konnten dabei die Koeffizienten im Elastizitätstensor bei linear-elastischem Gradientenmaterial durch Entwicklung eines dreidimensionalen FE-Modells identifiziert werden. Es konnte gezeigt werden, dass auf Grund der räumlich veränderlichen Materialparameter in Verbindung mit einer realistischen Geometrie bei physiologisch relevanter Druckanregung durch ein umgebendes Fluid im apikalen Ende eine von der basalen Antwort veränderte Anregung des Cortischen Organs erfolgt. Der Steifigkeitsgradient entlang der Längskoordinate wird primär durch die effektive Dicke der Basilarmembran bestimmt, während die Krümmung hauptsächlich im apikalen Bereich relevant ist.

Literatur

M. Fleischer, R. Schmidt, A.W. Gummer, “Compliance profiles derived from a three-dimensional finite-element model of the basilar membrane”, J Acoust Soc Am 127, 2010, 2973-2991.

Äußere Haarsinneszelle

Auf Grund der elektromotilen Eigenschaften des Zellkörpers (Soma) und der Motilität des Stereozilienbündels spielt die äußere Haarsinneszelle eine zentrale Rolle im Gesamtverhalten des Cortischen Organs. Anatomische Untersuchungen der Zellwand zeigen einen mehrlagigen Aufbau, durchsetzt mit einem orthogonalen Aktin-Spektrin-Geflecht. Die harmonische Finite-Elemente-Analyse zeigt, dass im Viskositätstensor der Zellwand im Materialgesetz ein zum Elastizitätstensor unterschiedlicher Anisotropietyp zu einer adäquaten Abbildung von Messwerten der axialen Impedanz führt.

Literatur

M. Fleischer, C. Harasztosi, M. Nowotny, Th. Zahnert, A.W. Gummer, “Continuum mechanical model of the outer hair cell”, In What fire is in mine ears: Progress in auditory biomechanics, Proceedings of the 11th international mechanics of hearing workshop, C. A. Shera and E. S. Olson (eds.), 2011, AIP Conference Proceedings.

Pfeilerzellen

Die Pfeilerzellen gehören zum Stützgewebe des Cortischen Organs und beeinflussen damit wesentlich das Schwingungsverhalten des Zellverbundes. Eine Besonderheit im Zellskelett der Pfeilerzellen stellen die in Bündeln angeordneten Mikrotubuli dar, die zu einem anisotropen Verhalten der Zellen führen. Mit Hilfe der numerischen Homogenisierungsrechnung ist es möglich, effektive und homogene sowie anisotrope Ersatzmaterialparameter zu bestimmen. Die Geometriedaten werden aus 3D-Rekonstruktionen von Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahmen (TEM) gewonnen.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Mario Fleischer
Tel.: 0351 458 2586
E-mail: mario.fleischer@uniklinikum-dresden.de

Dr. med. Yury Yarin
Tel.: 0351 458 4420
E-mail: yury.yarin@uniklinikum-dresden.de

Kooperationspartner

Rolf Schmidt
TU Dresden
Institut für Festkörpermechanik
01062 Dresden

http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_maschinenwesen/ifkm/dmt

Anthony W. Gummer
Universität Tübingen
Sektion Physiologische Akustik und Kommunikation

http://uni-tuebingen.de/uni/khh/index.htm

Axel Voigt
TU Dresden
Fachrichtung Mathematik
Institut für Wissenschaftliches Rechnen
01062 Dresden

http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_mathematik_und_naturwissenschaften/fachrichtung_mathematik/institute/wir