K?nnen wir tats?chlich davon ausgehen, dass unser Herz das Blut so langsam durch unsere Arterien pumpt, dass ein gleichm??iger, turbulenzfreier Blutstrom entsteht? Eher nein: Ein internationales Forschungsteam hat soeben im ?Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS)“ eine Arbeit ver?ffentlicht, die darauf hinweist, dass es in unseren Blutbahnen oft turbulenter als bisher gedacht zugeht. Für den menschlichen K?rper ist dies nicht von Vorteil – denn Unregelm??igkeiten im Blutstrom f?rdern nachweislich Entzündungen und Funktionsst?rungen der inneren Schicht der Blutgef??e, dem Endothel. Entzündungen in der Endothelzellschicht k?nnen wiederum zur Entwicklung von Arteriosklerose führen, der Zivilisationskrankheit, die als weltweit h?ufigste Todesursache gilt. Dr. Duo Xu, der seit vier Jahren am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Universit?t Bremen Str?mungen erforscht, war an der Arbeit beteiligt und hat sie im PNAS zur Ver?ffentlichung eingereicht.
?Pulsierende Str?mungen durch Rohrgeometrien sind bei moderaten Geschwindigkeiten laminar.“ So beginnt die Zusammenfassung der wissenschaftlichen Arbeit, die nun in einem der weltweit renommiertesten Wissenschaftsjournale erschienen ist. Gemeint ist damit, dass in einer Flüssigkeit keine Verwirbelungen entstehen, wenn sie ausreichend langsam durch ein Rohr gepumpt wird. Generell sind pulsierende Str?mungen zwar turbulenzanf?lliger als stetig flie?ende Str?mungen, dennoch ist man bislang davon ausgegangen, dass aufgrund der geringen Geschwindigkeit und der hohen Z?higkeit (Viskosit?t) des Blutes im menschlichen Kreislaufsystem keine Turbulenzen entstehen.
Dr. Duo Xu hingegen hat nun nachgewiesen, dass ein turbulenzfreies Str?mungsverhalten nur im Idealzustand immer erreicht wird. Die zentrale Erkenntnis des Forschungsteams ist, dass pulsierende Str?mungen sehr empfindlich auf geometrische St?rungen reagieren und dadurch schon bei einer niedrigeren Str?mungsgeschwindigkeit turbulent werden, als es bei einem nicht-pulsierenden, konstanten Massestrom der Fall w?re. ?bertragen auf den menschlichen Blutstrom hei?t das, dass Verwirbelungen viel h?ufiger auftreten als anhand der klassischen Str?mungsmechanik-Theorie zu erwarten w?re, da in menschlichen Blutbahnen h?ufig Krümmungen, Unebenheiten oder auch Verengungen – z.B. durch arteriosklerotische L?sionen (?Arterienverkalkung“) – vorkommen.
Der experimentelle Nachweis
Das Forschungsteam hat sowohl theoretisch, anhand von Simulationen, als auch experimentell nachgewiesen, dass Blutbahnen mit geometrischen Unregelm??igkeiten Turbulenzen ausl?sen. In den Experimenten ist deutlich sichtbar, wie in der Phase, in der sich der pulsierende Blutstrom verlangsamt, an diesen kritischen Bereichen Verwirbelungen entstehen, die sich rasch zu einer Turbulenz ausweiten. Erst durch die erneute Beschleunigung mit dem n?chsten Herzschlag beruhigt sich die Str?mung wieder: sie wird laminar. Das bedeutet, dass in nicht ideal geformten Blutgef??en in jedem einzelnen Pulszyklus eine St?rung des Blutstroms auftreten kann.
Warum sind Turbulenzen gesundheitsgef?hrdend?
Die Innenwand der Blutgef??e, das Endothel, reagiert sehr sensibel auf Scherspannungen. Scherspannung bezeichnet in diesem Fall die Reibung, die durch den Blutdurchfluss an der Innenseite der Blutgef??e entsteht. Im Normalfall sind die Endothelzellen auf einen gleichm??igen Durchfluss in eine Richtung eingestellt. Wenn nun in jedem Pulszyklus eine Turbulenz mit entsprechenden Scherspannungsschwankungen und einer Str?mungsumkehr auftritt, kann das zellul?re Dysfunktionen ausl?sen, die zu einer Entzündung des Endothels und langfristig zu Arteriosklerose führen k?nnen.
Für Menschen mit kardiovaskul?ren Vorerkrankungen bedeutet das Forschungsergebnis, dass sie durch das Auftreten von Turbulenzen an bestehenden Unebenheiten oder Verengungen in den Blutgef??en einem erh?hten Risiko zur Entstehung oder Fortschreitung von Arteriosklerose ausgesetzt sind. Doch auch bei gesunden Menschen k?nnen Turbulenzen auftreten, was uns eindrücklich die hohe Komplexit?t und Sensibilit?t unseres Blutkreislaufsystems verdeutlicht – und auch, dass die Forschung hier noch nicht abgeschlossen ist.
Die Forschung wurde von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des ?Institute of Science and Technology Austria“, dem Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universit?t Bremen, der Friedrich-Alexander-Universit?t Erlangen-Nürnberg und dem ?Center for Applied Mathematics“ der Tianjin University durchgeführt. Die Experimente wurden am ?Institute of Science and Technology Austria“ unter Professor Bj?rn Hof durchgeführt, die Simulationen in der Forschungsgruppe von Professor Marc Avila im ZARM.
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https://www.zarm.uni-bremen.de/de/presse/einzelansicht/article/more-turbulant-than-expected.html
Wissenschaftliche Fragen beantworten:
Dr. Duo Xu
Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM)
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Prof. Dr. Marc Avila
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Universit?t Bremen
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