Vergleichende Analyse von Schaf- und menschlichem Aortenklappen‑Gewebe für die Entwicklung bioprosthetischer Klappen mittels Relaxationstests und numerischer Simulation

Warum das Material von Herzklappen wichtig ist

Jedes Mal, wenn Ihr Herz schlägt, öffnet und schließt sich die Aortenklappe, damit das Blut in die richtige Richtung fließt. Im Laufe eines Lebens bewegt sich diese Klappe Milliardenmal, und wenn sie versagt, benötigen Patienten häufig einen künstlichen Ersatz. Mechanische Klappen halten lange, erfordern aber lebenslange Blutverdünnung; weichere biologische Klappen fühlen sich natürlicher an, können sich jedoch abnutzen. Diese Studie stellt eine praktische Frage: Könnte sorgfältig behandeltes Schaf‑(ovine)‑Aortenklappengewebe sich genug wie menschliches Gewebe verhalten — und möglicherweise besser als die heute gebräuchlichen Materialien —, um langlebigere, sicherere bioprosthetische Herzklappen zu bauen?

Auf der Suche nach einem besseren Ersatz

Aktuelle biologische (bioprosthetische) Klappen werden oft aus Rinderperikardgewebe hergestellt, das im Laufe der Jahre verhärten und degenerieren kann. Die Autoren untersuchten eine Alternative: das tatsächliche Aortenklappengewebe von Schafen, chemisch behandelt, um es zu konservieren und Immunreaktionen sowie Verkalkung zu reduzieren. Sie verglichen dieses behandelte ovine Gewebe mit natürlichen menschlichen Aortenklappen‑Segeln und konzentrierten sich darauf, wie die Gewebe sich dehnen, entspannen und die Belastungen handhaben, die sie im Körper erfahren würden. Da die Leistungsfähigkeit von Klappen stark von der Struktur und dem Verhalten der Kollagenfasern abhängt — winzige Stränge, die den Segeln Festigkeit und Flexibilität verleihen — ist es entscheidend, ein Material zu finden, dessen Fasern sich wie das menschliche Gewebe verhalten oder dieses übertreffen.

Wie Klappengewebe getestet wurde

Das Team schnitt kleine, präzise geformte Proben aus dem stärksten, homogensten Bereich der Schafklappen‑Segel und fixierte sie chemisch, um das Vorgehen bei kommerziellen Klappen zu imitieren. Diese schmalen Streifen wurden in eine Richtung bis zum Bruch gezogen, wobei aufgezeichnet wurde, welche Kräfte sie aushielten und wie steif sie waren. Das behandelte ovine Gewebe zeigte einen Elastizitätsmodul (ein Maß für Steifigkeit) von etwa 20 Megapascal, während in der Literatur gemessene menschliche Klappenproben in einem Bereich von etwa 6 bis 28 Megapascal lagen. Das Schafgewebe erwies sich somit als etwas weniger steif, aber dehnbarer bis zum Versagen als menschliches Gewebe — ein Vorteil für moderne minimalinvasive Klappen, die eng zusammengepresst in Katheter eingeführt und dann im Herzen wieder entfaltet werden müssen, ohne zu reißen.

Wie Klappen sich bei konstanter Belastung entspannen

Klappen sind keine starren Federn; sie sind viskoelastisch, das heißt, sie entspannen sich langsam und verteilen Spannungen, wenn sie gedehnt werden. Um dieses zeitabhängige Verhalten zu erfassen, führten die Forschenden Relaxationstests durch: Sie dehnten jede Probe schnell auf einen festen Bruchdehnungsanteil und hielten diese Dehnung für fünf Minuten, während sie beobachteten, wie die innere Spannung abnahm. Menschliche Segel verloren über 300 Sekunden etwa 21 % ihrer Anfangsspannung, während behandelte ovine Proben etwa 41 % verloren — ein Hinweis darauf, dass Schafklappen viskoelastischer sind und Schocks besser dämpfen sowie Lasten über die Zeit verteilen. Mithilfe eines standardisierten mathematischen Rahmens, der quasi‑linearen Viskoelastizität, passten sie ein detailliertes Modell an diese Daten an und extrahierten Parameter, die sowohl die sofortige elastische Reaktion als auch die langsameren Relaxationsphasen beschreiben.

Simulation des schlagenden Herzens

Um zu prüfen, welche Bedeutung diese Unterschiede im arbeitenden Herzen haben, erstellte das Team ein dreidimensionales Computermodell einer Aortenklappe in einem gängigen Ingenieurprogramm und wies ihm entweder menschliche oder behandelte ovine Materialeigenschaften zu. Sie legten realistische Druckverläufe vom linken Ventrikel und der Aorta an und verfolgten, wie sich die virtuelle Klappe während des Herzzyklus öffnete und schloss. Im maximalen Öffnungszustand (Systole) betrug die maximale Spannung in den behandelten ovinen Klappensegeln etwa 0,36 Megapascal, also ungefähr die Hälfte der 0,72 Megapascal, die im Modell mit menschlichem Gewebe auftraten. Während des Schließens (Diastole) verschoben sich Muster von Spannung und Dehnung vom Befestigungsrand hin zur zentralen „Bauch“-Region der Segel, was klinischen Beobachtungen darüber entspricht, wo reale Klappen typischerweise degenerieren. Insgesamt zeigte das ovine Modell niedrigere oder günstiger verteilte Spannungen als das menschliche Gewebe und niedrigere Spannungen als das in früheren Arbeiten berichtete Rinderperikard.

Was das für künftige Herzklappen bedeutet

Kurz gesagt legt die Studie nahe, dass sorgfältig behandeltes Schaf‑Aortenklappengewebe sich so biegt und entspannt, dass es dem menschlichen Gewebe nahekommt, möglicherweise aber geringere Spitzenspannungen und größere Flexibilität aufweist. Diese Eigenschaften sind vielversprechend für die Konstruktion bioprosthetischer Klappen, die das ständige Öffnen und Schließen im Herzen besser überstehen können, insbesondere bei katheterbasierten Implantaten, die intensives Verformen beim Einführen und Entfalten erfahren. Obwohl noch komplexere Tests — darunter mehrdimensionale Dehnungen, längere Ermüdungsstudien und vollständige Fluid‑Struktur‑Simulationen — erforderlich sind, weist diese Arbeit auf ovines Aortenklappengewebe als starken Kandidaten für die nächste Generation weicherer, haltbarerer Herzklappenersatzmaterialien hin.

Zitation: Masoumi, S.F., Rassoli, A., Changizi, S. et al. Comparative analysis of ovine and human aortic valve tissue for bioprosthetic valve development using relaxation tests and numerical simulation. Sci Rep 16, 7315 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35729-6

Schlüsselwörter: Aortenklappe, bioprosthetische Klappen, Schafherzgewebe, Viskoelastizität, Finite-Elemente-Simulation