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Laser-Doppler Vibrometrie für die berührungslose und schnelle Analyse mechanischer Eigenschaften von Biomaterialien

Im Bild Dr.-Ing. Sascha Schwarz (Mitte) und das Team vom Lehrstuhl für Angewandte Mechanik der TUM, sowie links Prof. Daniel Rixen, TUM und der Prüfungsvorsitzende Prof. Oliver Lieleg, TUM (direkt daneben) und ganz rechts Prof. Clausen-Schaumann, HM/CANTER.
Im Bild Dr.-Ing. Sascha Schwarz (Mitte) und das Team vom Lehrstuhl für Angewandte Mechanik der TUM, sowie links Prof. Daniel Rixen, TUM und der Prüfungsvorsitzende Prof. Oliver Lieleg, TUM (direkt daneben) und ganz rechts Prof. Clausen-Schaumann, HM/CANTER.

[22|11|2021]

Mitte November hat Sascha Schwarz seine Dissertation zum Thema “Mechanical characterization of biological materials with laser-Doppler vibrometry” am Lehrstuhl für Angewandte Mechanik an der Fakultät für Maschinenwesen der TUM erfolgreich verteidigt und damit seine Promotion zum Dr.-Ing. abgeschlossen.

 

Im Rahmen seiner Forschung am Centrum für Angewandtes Tissue Engineering und Regenerative Medizin (CANTER) der Hochschule München hat Sascha Schwarz die Eignung der Laser-Doppler Vibrometrie (LDV) für die kontaktlose und schnelle Analyse der mechanischen Eigenschaften von Biomaterialien, welche für die Herstellung von artifiziellen Gewebekonstrukten eingesetzt werden, evaluiert. LDV ist ein optisches Verfahren zur berührungslosen Messungen von mechanischen Schwingungen mit höchster Präzision, das für die Vibrationsanalyse von festen und reflektierenden Werkstoffen breite Verwendung findet, zum Beispiel zur Identifikation von Defektstellen und Materialfehlern. Die Anwendung an pastösen und nicht reflektierenden Materialien ist dagegen äußerst schwierig und bisher nur nach Zugabe von reflektierenden Additiven oder dem Aufbringen von reflektierenden Markern möglich. Diese Zusatzstoffe sind in Gewebekonstrukten jedoch unerwünscht, und können diese verunreinigen Mit einem neuartigen Laser Doppler Vibrometer mit einer Laserwellenlänge im Infrarotbereich und einer speziell für diese Messungen konzipierten Probenaufhängung konnte Sascha Schwarz nun die mechanischen Eigenschaften von transparenten Hydrogelen, wie sie zur Herstellung von Gewebeersatzmaterialien eingesetzt werden zum ersten Mal ohne weitere Hilfsstoffe mittels LDV bestimmen.

 

Bio-3D-Drucker zur Erforschung künstlichen Herzgewebes

 

Zusätzlich zur Analyse von Hydrogelen hat Schwarz die LDV für die mechanische Analyse von lebenden Zellen in 2D- und in 3D-Kultur anhand von artifiziellen Gewebekonstrukten und von Knorpelproben als natürlichem Gewebe erprobt. Er konnte zeigen, dass sich auch diese Materialien prinzipiell für eine LDV-Analyse eignen, der jeweilige Versuchsaufbau aber individuell an das entsprechende Probenmaterial angepasst werden muss. Der von Schwarz für die Herstellung der Gewebekonstrukte entwickelte Bio-3D-Drucker und ein von ihm entwickeltes Fertigungsverfahren für Gewebekonstrukte konnten darüber hinaus gemeinsam mit dem Klinikum rechts der Isar der TUM und dem Deutschen Herzzentrum München erfolgreich für zwei Projekte zur Herstellung und Erforschung von künstlichem Herzgewebe eingesetzt werden.

 

In einem weiteren Projekt hat Schwarz die Entwicklung eines Perfusions-Mikrobioreaktors zur Kultivierung von dreidimensionalen, zellbesiedelten Scaffolds unterstützt. Eine Besonderheit bei diesem Bioreaktor ist, dass er fast komplett mit Hilfe von additiven Fertigungsmethoden gefertigt wurde und somit sehr leicht an geometrische Anforderungen angepasst werden kann.

 

Seine Forschungsarbeiten stellte Schwarz auf mehreren internationalen Fachkonferenzen in Rahmen von Vorträgen und Postern vor. Außerdem wurden die Ergebnisse in mehreren Fachartikeln veröffentlicht, so unter anderem in Experimental Mechanics, dem Journal of Tissue Engineering und Circulation.

 

Wir gratulieren Herrn Dr.-Ing. Sascha Schwarz auf das Herzlichste und wünschen ihm für sein weiteres Leben viel Erfolg und alles Gute.

 

Prof. Dr. Hauke Clausen-Schaumann, Kathrin Resch