OxySim 2 - Grundlegende Untersuchung der Abhängigkeit des Gastransfers von der Membranfasergeometrie und der Strömungsrichtung von Blut in Oxygenatoren

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Michael Neidlin

Oberingenieur Modeling & Simulation

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Hintergrund

In der klinischen Routine werden Oxygenatoren als Komponente eines extrakorporalen Blut-kreislaufs eingesetzt, um die Gasaustauschfunktion der natürlichen Lunge teilweise oder voll-ständig zu übernehmen. Dabei wird im Oxygenator ein Teil des Kohlendioxids aus dem Blut entfernt, während Sauerstoff hinzugefügt wird. Hauptanwendungsgebiete sind dabei die Herz-Lungen-Maschine und die extrakorporale Lungenunterstützung (ECLA). Der Gastransfer ist ein Diffusionsprozess durch mikroporöse Fasern mit der Gasphase auf der Innenseite und der Blutphase auf der Außenseite der Fasern.
Der einzige Unterschied zwischen den derzeitigen Oxygenatoren besteht in der Unterscheidung zwischen gelegten und gewickelten Fasermatten, was zu zwei unterschiedlichen Blutflussrichtungen führt. Eine Beziehung zwischen der Gasübertragung und Parametern wie Fasertyp, Faserwinkel und Faserdichte besteht nicht, und ein tieferes Verständnis könnte für effizientere Oxygenatordesigns in der Zukunft hilfreich sein.

Ziel

Ziel dieses Projekts ist es, eine Methode zur quantitativen Vorhersage des Gastransfers in Oxygenatoren zu etablieren, indem das allgemeine Verständnis dafür verbessert wird, wie die Faserbündelgeometrie und die Blutflussrichtung den Gastransfer beeinflussen. Insbesondere werden numerische Simulationen und in-vitro Experimente verwendet, um den Gastransfer für verschiedene Faserorientierungen zu beschreiben, zu modellieren und zu messen und diese Informationen zur Berechnung von Korrelationsparametern für eine Untersuchung des lokalen Gastransfers auch in komplexen Oxygenator-Faserbündelgeometrien zu nutzen. Basierend auf diesen Erkenntnissen kann der Gastransfer in neuartigen Hohlfasermembran-Oxygenatoren a priori untersucht werden, ohne dass die Herstellung von Laborprototypen erforderlich ist.

Methoden

Um dieses Ziel zu erreichen, werden zunächst kleine voll funktionsfähige Fasersegmente mit unterschiedlichen Faserorientierungen, -dichten und -typen konstruiert und der Gastransfer für diese unterschiedlichen Konfigurationen gemessen. Im zweiten Schritt werden mikroskopische Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulationen mit einem mehrphasigen Blutmodell verwendet, um diese generischen Geometrien numerisch darzustellen und den Gastransfer für die verschiedenen Anordnungen zu berechnen. Anschließend werden Richtungskorrelationsparameter abgeleitet und in ein makroskopisches CFD-Modell eines Oxygenators mit einem Ansatz für poröse Medien implementiert.
Zuletzt wird dieses neue numerische Modell mit bestehenden Gasaustauschmessungen verglichen, um die Fähigkeiten und Grenzen des Modells zu bewerten.

Förderung Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft – Projektnummer 422681948