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Modellierung und Validierung des Stofftransports und der mehrphasigen Fluiddynamik in Hohlfaseroxygenatoren

Stand der Forschung

Die numerische Strömungssimulationen CFD unterstützt den Entwicklungsprozess von Oxygenatoren entscheidend. Früh können Auswirkungen von Designänderungen auf die Strömungsverteilung im Oxygenator abgeschätzt werden.

Das Faserbündel eines Hohlfasermembranoxygenators, kurz HFMO, der nach heutigem Stand der Technik in der Klinik zum Einsatz kommt, übernimmt dabei die Hauptaufgabe des Gasaustausches der natürlichen Lunge teilweise oder sogar vollständig. Es besteht aus mehreren tausend porösen Membranfasern, die von Sauerstoff durch- und von Blut umströmt werden.

Eine numerische Modellierung jeder Einzelfaser ist aufgrund des zeitlichen Rechenaufwands nicht praktikabel. Das Faserbündel wird daher numerisch durch ein poröses Medium ersetzt, dem Parameter zugeordnet werden, die das Verhalten des eigentlichen Faserbündels widerspiegeln. Zu diesen Parametern gehören insbesondere die Porosität und die Permeabilität.

Im Rahmen einer Dissertation am CVE wurde mithilfe eines MicroMox, eines miniaturisierten Oxygenators, der Gasaustausch an wenigen Fasern numerisch abgebildet und durch In-vitro-Versuche validiert.

Dieses Modell bietet die Grundlage für Untersuchungen auf mikroskopischer Ebene hinsichtlich der Umströmung von Einzelfasern mit Blut, sowie dem Gasaustausch zwischen Blut- und Gasphase.

  Fotografische Darstellung eines MicroMox Urheberrecht: AME Fotografische Darstellung eines MicroMox

Projektziele

Ziel dieses Projekts ist die Weiterentwicklung des bereits bestehenden numerischen Modells, sowie dessen experimentelle Validierung in Laborversuchen. Die Erweiterung des Modells beinhaltet beispielsweise die Modellierung einer instationären Strömung.

Darüber hinaus soll das Modell für verschiedene Membranfasermaterialien und Faserbündel-Konfigurationen erweitert werden. Diese Erweiterungen erlauben eine isolierte Untersuchung von Einflüssen einzelner Parameter, wie zum Beispiel Material, Faserabstand, Flussrate auf den Gasaustausch und bieten eine Grundlage für die Erforschung neuartiger Membranmaterialien.

Ein weiterer Aspekt des Projekts ist die Implementierung und Validierung eines zweiphasigen Blutmodells. In Strömungsquerschnitten kleiner als 300 µm treten Strömungseffekte, wie der Fåhræus-Lindqvist-Effekt auf, die eine Migration der Erythrozyten zur Strömungsachse begünstigen.

Dadurch entsteht an der Kanalwand eine zellarme Plasmaschicht, der sogenannte Plasmasaum. Die Abstände der Hohlfasermembranen eines Oxygenators liegen im Bereich von 200 bis 300 µm. Je nach Herstellungsprozess und Packungsdichte der Fasern können diese Abstände auch kleiner sein. Theoretisch ist die Ausbildung eines Plasmasaums somit auch in Oxygenatoren denkbar.

Da der Strömungsquerschnitt zwischen den Fasern allerdings nicht konstant ist und das Blut somit Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit unterliegt, kann die Ausbildung des Plasmasaums im Faserbündel eines Oxygenators nicht mit Sicherheit bestätigt werden. Der Plasmasaum würde den Diffusionsweg zwischen Membranoberfläche und den Erythrozyten, die den Großteil des Sauerstoffs chemisch binden, vergrößern.

Die Implementierung eines zweiphasigen Blutmodells könnte langfristig dabei helfen, den Plasmasaum und seinen Einfluss auf den Gasaustausch in Oxygenatoren zu erforschen.

Förderer

Dieses Projekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, Förderkennzeichen STE 1680/7-1