Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Verhalten von Blut in charakteristischen Strömungssituationen zur Vorhersage mechanischer Blutschädigung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Birgit Glasmacher; Professor Dr.-Ing. Michael Modigell
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5452628

Das geplante Vorhaben soll die Möglichkeit zur Vorhersage mechanisch induzierter Blutschädigung in blutführenden Apparaten eröffnen. Ein Zuordnung lokaler Belastungssituationen zu entsprechenden Teilschädigungen ist bislang nicht möglich, da sich experimentell nur Gesamtschädigungswerte ermitteln lassen. Dies erschwert die Verbesserung der Blutverträglichkeit (Hämokompatibilität) von kardiovaskulären Systemen wie beispielsweise von Rotationsblutpumpen erheblich. Zur Korrelation der lokalen Belastungssituation mit einer entsprechenden Teilschädigung der Erythrozyten ist die genaue Kenntnis der Strömungs- und Zellbewegungen innerhalb eines medizintechnischen Systems erforderlich. Dazu soll, auf einem Modellsystem für zeitkonstante Schwerbelastungen aufbauend, eine Scherkammer realisiert werden, in der Humbanblut gezielt zeitlich wechselnden und auch wiederholten Belastungen ausgesetzt werden kann, wie sie in Rotationsblutpumpen zu erwarten sind. Die Analyse der genauen Strömungs- und Zellbewegungen soll anhand der numerischen Simulation erfolgen, da lokale Strömungsinformationen in der mit Blut gefüllten Scherkammer experimentell kaum zugänglich sind. In den CFD-Sover wird ein mehrphasiges Modell implementiert, welches sowohl die strukturviskosen Fließeigenschaften des Blutes und deren Abhängigkeit vom Hämatokrit wiedergibt, als auch die Migration der Erythrozyten in der Messapparatur abbildet. Nach einer Validierung der Strömungssimulation mit Druckverlustmessungen in der Scherkammer wird das Modell um einen empirischen Schädigungsansatz erweitert, welcher zuvor anhand der durchgeführten Versuche zu entwickeln ist. Aus der Kenntnis der lokalen Belastungsverhältnisse in Verbindung mit den experimentell erarbeiteten Schädigungsdaten wird ein prognosefähiges Schädigungsmodell entwickelt. Mit der numerischen Strömungssimulation und dem entwickelten Schädigungsmodell ist es nun möglich die mechanische Blutverträglichkeit verschiedener blutführender Systeme zu beurteilen. Basierend auf dieser Ist-Analyse kann mit Hilfe der Strömungssimulation eine Geometrieoptimierung zur Minimierung der Blutschädigung durchgeführt werden. Die Entwicklung neuer Apparate wird durch die Simulation dahingehend unterstützt, dass vor dem Bau des ersten Prototypen bereits eine Blutverträglichkeitsanalyse in Verbindung mit einer gegebenenfalls erforderlichen Geometrieoptimierung durchgeführt wurde. Auf diese Weise können die Entwicklungskosten neuer Apparate minimiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr.-Ing. Ulrich Steinseifer