Gewebedynamik

Gewebedynamik bezeichnet in der Biomechanik die zeitliche Veränderung der Struktur und Funktion biologischer Gewebe infolge mechanischer Belastung, Biochemie und Gewebeumbau. Sie umfasst die mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit und viskoelastische Reaktion ebenso wie Prozesse der Gewebremodellierung, des Wachstums und der Degeneration.

Zentrale Mechanismen sind die Mechanotransduktion, d.h. die Umwandlung mechanischer Reize in zelluläre Signale, sowie der Umbau der extrazellulären Matrix, der Gefäßreifung, Zellproliferation und Differenzierung. Die Dynamik reicht von kurzen Reaktionszeiten bis zu längerfristigen Veränderungen der Gewebestruktur über Wochen bis Jahre.

Methoden: Experimentell kommen rheologische Messungen, Traction Force Microscopy, Elastographie (z. B. MRT- oder Ultraschallelastographie) und in vitro Gewebekonstrukte zum Einsatz. Modellierung erfolgt als Kontinuumsmechanik (Elastizität, Fließ- und Porenmediageometrie), poroelastische Modelle, Finite-Elemente-Analysen und agentenbasierte Ansätze, oft mehrschalig.

Anwendungsgebiete sind Orthopädie und Knochenerhaltung, Knorpel- und Hautgewebe, Herz- und Gefäßbiomechanik, Tumormikroumgebung, Gewebezüchtung und Wundheilung. Gewebedynamik hilft bei der Gestaltung von Implantaten, Rehabilitationsstrategien und der Bewertung von Erkrankungen wie Fibrose oder Osteoarthritis.

Herausforderungen umfassen die Heterogenität von Gewebe, die Kopplung mechanischer und biochemischer Signale, patientenspezifische Modelle und die Integration multimodaler Datensätze für Vorhersagemodelle.