Entwicklung und experimentelle Validierung eines Blutrheologiemodells auf der Grundlage der erweiterten mikropolaren Theorie zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Strömungssimulationen und Hämolysevorhersagen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Ulrich Kertzscher; Professor Dr. Wolfgang H. Müller
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 549147369

Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit die häufigste Todesursache und machen etwa ein Drittel der globalen Todesfälle aus. Eine gängige Behandlungsoption ist der Einsatz von blutleitenden Geräten wie Stents, Herzklappen und Ventricular Assist Devices. Diese Geräte weisen jedoch hohe Komplikationsraten auf, wie z.B. Thrombenbildung, Blutungen oder eine erhöhte Schädigung der roten Blutkörperchen (Hämolyse) aufgrund der überphysiologischen Belastung des Blutes. Um die Sterblichkeitsrate zu senken, wird der Schwerpunkt der nächsten Jahrzehnte auf der Entwicklung mathematischer und numerischer Modelle zur Vorhersage von Blutschäden auf der Grundlage des Blutflusses für neue Verfahren und bessere Geräte liegen. Hierfür ist ein umfassendes Wissen über die physikalischen Eigenschaften des Blutes erforderlich. Folglich wird die Hämodynamik in vielen Studienbereichen erforscht, aber aufgrund der komplexen Natur des Blutes gibt es immer noch ein hohes Maß an Unsicherheit. Ein Hauptproblem bei der Modellierung von Blut ist, dass es sich um ein Mehrkomponentengemisch mit komplexen rheologischen Eigenschaften handelt, das nicht die Newtonsche Flüssigkeit entspricht, da es aus verformbaren Teilchen besteht. Daher besteht in diesem Bereich ein großer Bedarf an Blutmodellen, die diese Strömungsphänomene effizient simulieren können, um Blutschäden vorherzusagen. Dieses Projekt befasst sich mit diesem Bedarf, indem es ein Verfahren entwickelt, das die homogenisierte Substruktur des Blutes einbezieht. Dieses Verfahren is auf einer "Generalized Continuum Theory," die "zusätzliche interne Freiheitsgrade" einbezieht, basiert. Insbesondere wird ein erweitertes Modell einer mikropolaren Flüssigkeit, die das Blut wie eine Flüssigkeit mit einer Substruktur aus festen Partikeln betrachtet, verwendet. Um das Verhalten der Erythrozyten einzubeziehen, wird die Theorie nun um einen Mikroinertia-Tensor und eine zugehörige Gleichung erweitert, um die Verformung und Ausrichtung der Erythrozyten sowie deren zeitliche Entwicklung darzustellen. Der Mikroinertia-Tensor ist also eine neue Feldgröße, die den Einfluss von mikrostrukturellen Effekten auf die mikropolare Flüssigkeitsdynamik kontrolliert. Die Einbeziehung des Mikroinertia-Tensors erfordert die Ableitung eines Materialmodells, das zu den neuen partiellen Differentialgleichungen führt. Um Materialparameter zu finden und das resultierende Materialmodell zu validieren, wird das Fließverhalten von menschlichem Blut in mehreren klinisch relevanten Versuchsaufbauten untersucht, die als Datenbasis für die Entwicklung und Validierung des Modells dienen. Die ersten Versuchsaufbauten dienen der Messung der für das Blutmodell erforderlichen Materialparameter in einer einfachen Scherströmung. Der zweite Aufbau soll die typischen Belastungen in Blutpumpen mit kurzzeitigen Spannungsspitzen simulieren. Darüber hinaus wird die Hämolyse gemessen und die Daten für die Entwicklung des Schadensmodells bereitgestellt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen