Entwicklung eines Prototypen zur Simulation von Schubspannung auf Endothelzellen

Das menschliche Endothel kann durch mehrere Faktoren wie z.B. durch Arterioskle- rose oder die Verwendung von Herzpumpen beschädigt werden. Dabei spielt die auf die Innenwände der Blutgefäße wirkende Schubspannung eine große Rolle. In dieser Abschlussarbeit wird ein Prüfstand entwickelt, der diese Schubspannung auf Endothel- zellen nachstellen soll. Dafür wurde zunächst ein pulsatiles, sowie ein nicht-pulsatiles Pumpsystem mit einem Ventil und einer Durchflusskammer in Matlab/Simulink mit Ein- bindung der Simscape Library modelliert und die auftretende Druckdifferenz aufgrund der Ventilstellung untersucht. Über diese Druckdifferenz wird die Schubspannung in der Durchflusskammer berechnet. Anschließend wurde ein realer Prototyp für eine pulsatile Spritzenpumpe entwickelt. Dieser konnte jedoch wegen zu großer Reibung nicht für wei- tere Untersuchungen verwendet werden. Weiters wurde ein annähernd nicht-pulsatiler Aufbau mit einer Peristaltikpumpe, einem selbstgebautem Schlauchquetschventil und eines Differentialdrucksensors konstruiert. Dieser Aufbau wurde im weiteren Verlauf mit einer Dämpfungskammer und einer Durchflusskammer, in die potentiell Endothelzellen eingesetzt werden können, erweitert. Es wurde, wie bei der Simulation, die sich einstellen- de Druckdifferenz bei gewählter Ventilöffnung gemessen und daraus die resultierende Schubspannung berechnet. Zur besseren Darstellung wurde noch ein Moving-Average- Filter auf die generierten Daten angewendet. Mit dieser Arbeit konnte einerseits gezeigt werden, dass ein pulsatiles Pumpverhalten eine bis zu vierfach höhere Schubspannung als ein nicht-pulsatiles hervorruft und andererseits, dass der reale, nicht-pulsatile Aufbau gut mit der Simulation übereinstimmt und damit weitere Untersuchungen mit Endothelzellen möglich sind.

The human endothelium can be damaged by several factors, such as arteriosclerosis or the use of heart pumps. The shear stress acting on the inner walls of the blood vessels plays a major role. In this thesis, a test rig is developed to simulate this shear stress on endothelial cells. For this purpose, a pulsatile, as well as a non-pulsatile pump system with a valve and a flow chamber was modeled in Matlab/Simulink with integration of the Simscape Library and the occurring pressure difference due to the valve position was investigated. The shear stress in the flow chamber is calculated using this pressure difference. Subsequently, a real prototype for a pulsatile syringe pump was developed. However, this could not be used for further investigations due to excessive friction. Furthermore, an approximately non- pulsatile setup was constructed with a peristaltic pump, a selfmade hose pinch valve and a differential pressure sensor. This setup was further extended with a damping chamber and a flow chamber, into which endothelial cells could potentially be inserted. As in the simulation, the resulting pressure difference was measured at the selected valve opening and the resulting shear stress was calculated. For better visualization, a moving-average filter was applied to the generated data. With this work it could be shown on the one hand that a pulsatile pumping behavior causes up to four times higher shear stress than a non-pulsatile one and on the other hand that the real, non-pulsatile setup agrees well with the simulation and thus further investigations with endothelial cells are possible.