TPMS

Oct 21, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 7160 (2022) Citare questo articolo

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I polmoni a membrana sono costituiti da migliaia di membrane a fibra cava impacchettate insieme come un fascio. I dispositivi spesso soffrono di complicazioni a causa del flusso non uniforme attraverso il fascio di membrane, comprese regioni sia di flusso eccessivamente elevato che di flusso stagnante. Qui presentiamo un progetto di prova per una membrana polmonare contenente un modulo di membrana basato su superfici minime periodiche triple (TPMS). Deformando le geometrie originali del TPMS, la permeabilità locale all'interno di qualsiasi regione del modulo potrebbe essere aumentata o abbassata, consentendo la personalizzazione della distribuzione del flusso sanguigno attraverso il dispositivo. Creando uno schema di ottimizzazione iterativo per determinare la distribuzione della permeabilità nel senso del flusso all'interno di un dominio poroso computazionale, la forma desiderata di un reticolo di elementi TPMS è stata determinata tramite simulazione. Questa forma desiderata è stata tradotta in un modello di progettazione assistita da computer (CAD) per un prototipo di dispositivo. Il dispositivo è stato quindi prodotto tramite produzione additiva per testare il nuovo design rispetto a un dispositivo standard del settore. La distribuzione del flusso è stata omogeneizzata in modo verificabile e il tempo di residenza ridotto, promettendo prestazioni più efficienti e una maggiore resistenza alla trombosi. Questo lavoro mostra la misura promettente in cui il TPMS può fungere da nuovo elemento costitutivo per i processi di scambio nei dispositivi medici.

Le membrane a fibra cava rappresentano da decenni lo standard industriale per una varietà di processi di separazione a membrana tecnici e industriali1,2. Molte terapie mediche moderne si basano su questo tipo di processi di separazione della membrana, dirigendo il sangue dei pazienti in un modulo di membrana per supportare la funzione dell'organo nativo. Terapie come la terapia sostitutiva renale3, il supporto epatico extracorporeo artificiale4 o l'assistenza polmonare extracorporea (ECLA)5 sono opzioni terapeutiche popolari per molti pazienti. Sebbene distinte, ciascuna di queste terapie dipende dai processi di separazione della membrana. Allo stesso modo, sebbene i dispositivi utilizzati in ciascuna di queste terapie abbiano determinati requisiti unici, un’adeguata efficienza di scambio è un requisito di progettazione onnipresente e dipende in larga misura dall’omogeneità del flusso attraverso il fascio di membrane a fibre cave.

Nei polmoni a membrana, le disomogeneità di velocità sono più comunemente il risultato di geometrie di ingresso e di uscita che introducono e ricevono il flusso sanguigno da e verso il fascio di fibre in modo non uniforme. Nel complesso, questa distribuzione del flusso non uniforme ha diversi impatti negativi sulle prestazioni del dispositivo. Innanzitutto, crea aree con regimi di flusso ad alta velocità all'interno del fascio, esponendo il sangue a elevati stress di taglio e causando danni ai globuli rossi e attivazione piastrinica6. In secondo luogo, mentre nelle zone di ristagno il sangue saturo non viene rimosso, possono verificarsi flussi shunt che portano ad uno sfruttamento insufficiente della superficie di scambio gassoso7,8,9. Ciò riduce l'efficienza di scambio complessiva del dispositivo. Infine, campi di flusso non uniformi danno luogo ad aree di flusso basso o stagnante, che possono portare alla formazione di trombi nel fascio di fibre10,11. Oltre a bloccare semplicemente la superficie di scambio del dispositivo, questi trombi possono embolizzare e portare al guasto meccanico del dispositivo o addirittura causare eventi avversi per il paziente12,13,14,15. In effetti, è stato riscontrato che il trombo dell'ossigenatore è una delle principali complicanze meccaniche nell'ossigenazione extracorporea della membrana (ECMO), con un documento di revisione che ha rivelato un tasso di coagulazione del 20% tra 1473 casi16.

I moderni fasci di membrane fibrose sono costituiti da tappetini di fibre cave avvolti attorno a un nucleo centrale o impilati uno sopra l'altro perpendicolarmente. Nei polmoni con membrana, il flusso sanguigno è diretto attorno al lume esterno delle fibre, mentre il gas scorre attraverso l'interno delle fibre. Tuttavia, il sangue che scorre attraverso un banco di fibre rappresenta una sfida unica. Indipendentemente dalla loro forma, fare affidamento sulle fibre cave come elementi costitutivi dei moduli di membrana porta ad una conseguenza principale per tutti i polmoni a membrana: una resistenza uniforme al flusso. Questa resistenza uniforme è il risultato della geometria uniforme delle fibre cave e della disposizione stretta ed equidistante dei tappetini in fibra. Un altro modo di considerare questo aspetto sarebbe quello di discutere la permeabilità ai fluidi dei fasci di fibre come mezzi porosi come sono tipicamente modellati per scopi di simulazione10,17,18. Dipendente solo dalla geometria del percorso del flusso, la permeabilità, Kperm, mette in relazione la perdita di pressione, \(\frac{\partial p}{\partial {x}_{i}}\), con la velocità superficiale, vs, per un particolare direzione nei flussi striscianti tramite la Legge di Darcy19: