Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Verhalten von Blut in charakteristischen Strömungssituationen zur Vorhersage mechanischer Blutschädigung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bis heute sind weder die genauen Mechanismen der Blutschädigung eindeutig geklärt, noch sind Grenzwerte für zulässige Strömungsbelastungen definiert. Die konstruktive Verbesserung künstlicher Systeme hinsichtlich einer Minimierung der Blutschädigung ist ein mit hohem Aufwand verbundener iterativer Prozess. Experimentell lassen sich nur Gesamtschädigungswerte ermitteln, bislang kann lokalen Belastungssituationen keine entsprechende Teilschädigung zugeordnet werden. In diesem Projekt wurden experimentelle Untersuchungen mit einer numerischen Strömungssimulation verknüpft. IMP – Leibniz Universität Hannover (Glasmacher): Das Modellbelastungssystem für die experimentellen Untersuchungen wurde am IMP auf Basis eines Searle-Systems entwickelt und gebaut. Blut kann darin Grundbelastungsfällen, die über die Dauer und Höhe der auftretenden Scherspannung definiert sind, ausgesetzt werden. Betrachtet werden Strömungsfelder, die sich durch kurze Verweilzeiten (Belastungsdauer unter 1 s) aber hohe strömungsmechanische Kräfte (Scherspannung bis 1000 Pa) auszeichnen. Die Scherspannung und die Dauer der Belastung können unabhängig voneinander eingestellt werden, die Temperatur bleibt dabei im Physiologischen Berich. Des Weiteren kann die Bluttraumatisierung durch zeitlich sehr schnell wechselnde Scherspannungsverläufe mit der Traumatisierung durch konstant hohe Spannungen verglichen werden. Die mit porcinem Blut durchgeführten Untersuchungen bestätigen eine starke Zunahme der Schädigung der roten Blutkörperchen (Hämolyse) sowohl oberhalb eines kritischen Scherspannungsbereiches von ca. 400 Pa, als auch oberhalb einer kritischen Belastungszeit von ca. 250 ms für zeitkonstante Belastungen. In experimentellen Untersuchungen wurden Messwerte für die Erstellung und Validierung einer Blutschädigungssimulation am MVT gesammelt. Durch die Variation der Teilmenge Blut, die durch das System gefördert wird, ist es möglich, nur ein Teil des Blutes stark zu belasten. Die Auswertung dieser Ergebnisse liefert einen nahezu linear ansteigenden Hämolyseindex. Für die Simulation am MVT wurden Druck- und Temperaturmesswerte von verschiedenen Positionen im System aufgezeichnet. Abhängig von Drehzahl und Dichtvolumenstrom würden Drücke zwischen -150 mmHg und über 300 mmHg gemessen. Die Temperatur blieb in allen Versuchen unterhalb von 40 °C. IMP – Leibniz Universität Hannover (Glasmacher): Nach konstruktiven Verbesserungen am System sollen weitere Versuche mit porcinem Blut durchgeführt werden. In Kooperation mit der Klinik für kleine Klauentiere der Tiermedizinischen Hochschule Hannover soll die Blutanalytik auf die Reaktion der Thrombozyten und weitere Schädigungskriterien ausgeweitet werden. Die Messwerte sollen in einer vollständigen Datenbank frei zugänglich gemacht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Aspects of cardiovascular biomaterials. BIOmaterialien 8(3),2007:271
Glasmacher B, Autschbach R, Vogt P, Welte T, Wilhelmi M
- Biomaterial-induced blood damage at defined shear stress. BIOmaterialien 2007, 8(3), 229
Kruse L., Vasilic K., Modigell M., Glasmacher B.
- Biomaterialien im Spagat zwischen Forschung und Anwendung. Chemie Ingenieur Technik 79 (2007) 9, S. 1380
Glasmacher B, Vienken J
- Biomaterialinduzierte Blutschädigung unter definierter Scherbelastung. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomaterialien e. V., Hannover, 22.-24. November 2007
Kruse, L., Vasilic, K., Modigell, M., Glasmacher, B.
- Prediction of mechanical blood damage in extracorporeal devices. Chemie Ingenieur Technik 79 (2007) 9, S. 1380-1381
Vasilic K., Kruse L., Glasmacher B., Modigell M.
- Hemolysis and platelet activation by high shear stress. International Journal of Artificial Organs 2008; 31(7): 630
Kruse L., Modigell M., Glasmacher B.
- In vitro hemocompatibility testing of varied geometries in a high shear blood flow. BIOmaterialien 2008, 9(3/4), 134
Kruse L., Moll A., Modigell M., Glasmacher B.
- In vitro hemocompatibility testing of varied geometries in a high shear blood flow. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomaterialien e. V., Hamburg, 20.-22. November 2008
Kruse, L., Moll A., Modigell, M., Glasmacher, B.
- Platelet activation and hemolysis by high shear stress. XXXV Annual meeting European Society for Artificial Organs (ESAO), Genf, Schweiz, 3.-6. September 2008
Kruse, L., Modigell, M., Glasmacher, B.
