RenOx

  Simulations Darstellung Urheberrecht: © CVE Kombination von Oxygenator-Fasern und Dialyse-Fasern für die kombinierte Organunterstützung in einem Device.

Hintergund

Patienten mit akuten oder chronischen Lungenverletzungen besitzen häufig ein erhöhtes Risiko für ein akutes Nierenversagen, was zu einer erhöhten Morbidität und Mortalität führt. Dieser Lungen-Nieren-Crosstalk ist daher von entscheidender Bedeutung bei der Entwicklung einer individualisierten implantierbaren Lunge. Die Nierenfunktion von Patienten, bei denen auf Grund schwerer Lungenfunktionsstörungen eine extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO) notwendig ist, muss besonders intensiv beobachtet werden, da bei diesen ein besonders hohes Risiko für ein akutes Nierenversagen und eine massive Volumenüberlastung besteht. Um einem multiplen Organversagen vorzubeugen, werden bisher Dialyse (Nierenfunktion) und Membranoxygenierung (Lungenfunktion) parallel mit getrennten Geräten durchgeführt, was zu einem hohen Infektionsrisiko, Thrombenbildung an den Fremdoberflächen, einem erhöhten Wärmeverlust und vielen anderen Fehlerquellen durch redundante Kanülen und Schläuche führt. Aus diesem Grund soll im Rahmen dieses Projektes ein Gerät für die kombinierten Lungen- und Nierenunterstützung entwickelt werden, welches in-silico, in-vitro und in-vivo getestet werden soll.

Methode

Zunächst werden die speziellen Anforderungen von ECMO-Patienten aus klinischen Daten ermittelt, wobei der Schwerpunkt auf dem Flüssigkeitsmanagement und der Nierenfunktion liegt. Anschließend werden modernste Ansätze in der Geräteentwicklung und -herstellung verwendet, um einen Prototyp für umfassende in-vitro Tests zu entwerfen. Dieser Entwicklungsprozess wird durch numerische Strömungssimulationen unterstützt, um die Strömungsbedingungen innerhalb des Devices zu optimieren. Die Grundidee besteht darin, eine noch zu bestimmende Anzahl an Oxygenator-Fasern mit Dialyse-Fasern zu kombinieren und letztere inside-out zu verwenden.

  Simulations Darstellung Urheberrecht: © CVE Links: Vereinfachte Darstellung eines LPM. Analogie zum elektrischen Kreislauf ermöglicht die Berechnung von Flüssen und Drücken in den einzelnen Kompartments. Rechts: Neuartige künstliche Lunge mit integrierter Nierenunterstützung

Parallel dazu wird ein numerisches Framework entwickelt, das die Hämodynamik, den Gas- und Massentransfer innerhalb eines virtuellen Patienten auf Basis klinischer Daten beschreibt, um Einblicke in das Verhalten einer kombinierten Lungen- und Nierenunterstützungstherapie zu erhalten. Insbesondere die Interaktion zwischen Patient und Device soll so detailliert untersucht werden. Ein bereits bestehendes kardiovaskuläres Lumped-Parameter-Modell (LPM) wird hierfür um die Funktion der menschlichen Lunge und Niere erweitert. Anschließend wird das entwickelte Modell mittels klinischer Patientendaten und Daten aus Tierversuchen und in-vitro Experimenten kalibriert und validiert.

Ziel - Ergebnisse

Das Hauptergebnis des Projektes ist die Entwicklung eines Medizinproduktes für die kombinierte Lungen- und Nierenunterstützungstherapie. Der erstmals berücksichtigte Lungen-Nieren-Crosstalk und neue experimentelle und rechnerische Methoden bieten das Potential, die zugrundeliegenden Mechanismen besser zu verstehen und den Weg zu einer implantierbaren künstlichen Lunge zu ebnen. Außerdem ermöglicht ein weiterentwickeltes LPM die Untersuchung der Patienten-Device-Interaktion und verschiedener pathologischer Zustände.

Partner

Dieses Projekt findet in Kooperation mit Prof. Dr.-Ing. Jutta Arens , Chair of Engineering Organ Support Technologies (EOST), Department of Biomechanical Engineering, Faculty of Engineering Technologies, University of Twente (NL), und Dr. med. Bettina Wiegmann , Klinik für Herz-, Thorax-, Transplantations- und Gefäßchirurgie (HTTG), Medizinische Hochschule Hannover, statt.

Förderer DFG.

Dieses Projekt ist Teil des SPP 2014: Auf dem Weg zur implantierbaren Lunge.

Ziel des SPPs ist es, die Forschung, die zur Entwicklung eines langfristig implantierbaren Lungenunterstützungssystems führen soll, zu unterstützen

Ansprechpartner

Michael Neidlin © Urheberrecht: CVEAME

Name

Michael Neidlin

Oberingenieur Modeling & Simulation

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