Grundlegende Untersuchung der Abhängigkeit des Gastransfers von der Membranfasergeometrie und der Strömungsrichtung von Blut in Oxygenatoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Membranoxygenatoren werden in der klinischen Praxis eingesetzt, um den extrakorporalen Gasaustausch im Blut über mikroporöse Hohlfasern zu gewährleisten. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Interaktion zwischen der Fasergeometrie und der Hämodynamik in der künstlichen Lunge. Ziel des Projekts war es, diese Interaktion besser zu verstehen und den Zusammenhang zwischen Strömungsrichtung und Hohlfaseranordnung zu quantifizieren. Dafür wurden im Projekt Fasermodule hergestellt, die die einzelnen Hauptströmungsrichtun-gen (x,y,z) und Faseranordnungen (90° und 24°) isoliert abbilden können. Der Gastransfer in den Modulen wurde mit in-vitro Blutversuchen vermessen. Die korrekte Wahl von Strömungs-richtung und Faseranordnung kann den Gastransfer um den Faktor zwei erhöhen. Dabei wurde die Anordnung 24°Y als optimale Konfiguration identifiziert. Parallel dazu wurde ein mikroskopisches Gastransfermodell mithilfe von 3D Strömungssimulationen erstellt und mit den Experimenten validiert. Im letzten Schritt wurde eine Methodik entwickelt, um die mikroskopischen Simulationen auf einen "Reduced-Order-Model" Ansatz zu extrapolieren und den Zusammenhang zwischen Strömung, Faseranordnung und Gastransfer in in-silico Modellen von Oxygenatoren abzubilden. Die entwickelten Methoden wurden veröffentlicht und die Computermodelle in einem offenen Repository für die weitere Verwendung zur Verfügung gestellt. Weiterhin wurden die Ergebnisse auf drei internationalen wissenschaftlichen Kongressen vorgestellt. Weitere Arbeiten werden sich mit den Ursachen für die beobachteten Unterschiede und deren Potential zur Optimierung von Membranoxygenatoren beschäftigen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A Combined Numerical and Experimental Methodology to Investigate Flow Direction Dependent Gas Transfer in Artificial Lungs, 7th International Conference on Computational and Math-ematical Biomedical Engineering – CMBE2021 (2021), Mailand, Italien
J.M. Focke, K.P. Barbian, N. Gendron, J. Arens, M. & Neidlin, A.
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Investigation of Flow Direction Dependent Gas Transfer in Artificial Lungs, 48th ESAO Congress (2022), Krems, Österreich
J.M. Focke, K.P. Barbian, N. Gendron, U. Steinseifer, J. Arens & M. Neidlin
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Description of Direction Dependent Gas Transfer in Oxygenators, 49th ESAO Congress (2023), Bergamo, Italien
J.M. Focke, K.P. Barbian, N. Gendron, U. Steinseifer, J. Arens & M. Neidlin
