Einfluss der Partikelmigration bei Blut und partikulären Blutanalogfluiden in Spalt- und Ringspaltströmungen für technisch relevante Reynoldszahlen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Jeanette Hussong; Professor Dr.-Ing. Frank-Hendrik Wurm
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469384587

Herzunterstützungssysteme (Ventricular Assist Devices; VADs) werden Menschen mit schwerer Herzinsuffizienz implantiert, um den Blutkreislauf aufrechtzuerhalten. Die am häufigsten implantierten VADs sind Strömungsmaschinen. Durch die Rotation des Laufrades der Strömungsmaschine treten supraphysiologische Spannungen von mehreren hundert Pascal auf, wodurch die Blutzellen geschädigt werden. Die höchsten Spannungen erfährt das Blut in den Spalten des VADs, welche oft nur wenige hundert Mikrometer groß sind. Die Blutströmung in diesen Bereich ist bisher wenig untersucht worden. Aus der Literatur ist bekannt, dass Blutzellen, welche durch Gefäße von wenigen hundert Mikrometern strömen, dazu tendieren, zur Gefäßmitte zu migrieren. Es bildet sich durch die Migration eine zellfreie Plasmaschicht (Cell-free layer; CFL) aus. Auch in VAD-Spalten kann Zellmigration auftreten. Wie die Zellmigration in VAD-Spaltströmungen genau vonstattengeht und wie sie sich auf das resultierende Spannungsfeld auswirkt, ist in der Literatur bisher nicht untersucht. In der ersten Projektphase wurde daher die Zellmigration in Mikrokanälen unter Strömungsbedingungen und geometrischen Maßen eines VAD-Spaltes ohne Rotordrehung charakterisiert. Aus diesen Ergebnissen bildeten sich neue, zentrale Fragestellungen, welche in einem Folgeprojekt beantwortet werden sollen: Wie entwickelt sich bei verschiedenen Volumenfraktionen eine CFL bei hohen Reynoldszahlen aus und wie lässt sich dies modellieren? Wie wirkt sich eine im rotierenden Ringspalt zusätzliche Scherströmung und die dort wirkenden Zentrifugalkräfte auf die Zellmigration und das Spannungsfeld aus? Da die optische Zugänglichkeit in VAD-Spalten stark eingeschränkt ist, werden die geometrischen Parameter und Strömungszustände der VAD-Spalte in Mikrokanälen und rotierenden Ringspaltströmungen mit Tierblut und partikulärem Blutersatzfluid nachgestellt. Optische Strömungsuntersuchungen werden mittels Astigmatismus Particle Tracking Velocimetry (APTV) durchgeführt, um die Zellmigration in Blut und Blutanalogfluid zu charakterisieren. Zudem werden mechanische Messverfahren eingesetzt, um direkt Wandschubspannungen und Druckverluste zu messen. Die Untersuchungen erlauben es ausführliche Vergleiche zwischen Blut und partikulärem Blutanalogfluid bei verschiedenen Volumenfraktionen durchzuführen. Durch eine numerische Modellierung der Blutströmung soll die Zellmigration mittels eines zu erweiternden Fluidmodells anhand experimenteller Daten validiert werden. Die Untersuchungen bilden die Grundlage für verbessertes Verständnis der Zellmigration von Blutströmung in VAD-Spalten unter Scher- und Zentrifugalkrafteinfluss. und bildet so einen grundlegenden Baustein für eine verbesserte numerische Modellierung der VAD-Strömung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen