Impact of red cell distribution in sheared blood flow upon quantification of hemolysis rate in artificial organs

Poorkhalil, Ali; Büchs, Jochen (Thesis advisor); Mottaghy, Khosrow (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Verlagshaus Mainz GmbH (2016)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Künstliche Organe zur temporären bzw. dauerhaften Unterstützung und Ersatz von erkrankten Organen finden immer mehr Anwendung in der modernen Medizin. Bei Optimierung von Design und Konstruktion der künstlichen Organen sind nicht nur die Leistungsdaten des zu entwickelnden künstlichen Organs von Bedeutung, sondern auch die Frage der Hämokompatibilität und des Bluttraumas insbesondere Hämolyse. Gerade bei der Langzeitanwendung von künstlichen Organen nehmen diese Faktoren an Bedeutung zu. Mechanische Hämolyse ist vordergründig eine Funktion der Scherspannung und Belastungsdauer. Jeder Anwendung, basierend auf ihrer Funktion, Einsatzzweck und Dauer, werden unterschiedliche Betriebsbedingungen zugrunde gelegt: Hohe Scherbeanspruchung und kurze Belastungsdauer, z.B. Ventrikel Unterstützungssysteme (Ventricle Assist Device, VAD) mit Hilfe von „ Rotary Pumps“ oder niedrigere Scherbelastungen aber langere Anwendungsdauer wie bei Dialyseverfahren.Bei der Konstruktion und Optimierung von rotatorischen Blutpumpen sind unterschiedliche Aspekte, vor allem Maximierung der Pumpleistung und Minimierung deren Größe für eine minimale Schädigung der Blutzellen zu berücksichtigen. Allerdings haben Optimierungen unter verschiedenen Vorgaben widersprüchliche Auswirkungen aufeinander. Hohe Pumpleistung zu erzielen, hat zur Folge, dass innerhalb der Pumpe Regionen mit hoher Scherbelastung für die Blutzellen auftreten, wodurch die Blutzellen in diesen Regionen extrem beansprucht werden. Im zweiten Teil der Studie, als umgekehrter Fall zu den rotatorischen Blutpumpen (VAD-Systemen) in Bezug auf die Strömungscharakteristik, werden herkömmliche Dialysatoren untersucht. Trotz ihrer relativ geringen Scherbeanspruchung weisen sie z.B. im Vergleich zu den rotatorischen Blutpumpen eine längere Belastungspriode im künstlichen Organ auf, die die Notwendigkeit der Designoptimierung für eine minimale Bluttraumatisierung und infolge dessen eine höhere Hämokompatibilität hervorhebt. Um die oben genannten Aspekte zu untersuchen, werden im ersten Teil der Arbeit die theoretiche-physiologiche Hintergrounde (Kapital 1-4) und anschliessend die Auswirkung des lokalen Hämatokrit-Wertes durch die Scherfeldverteilung auf die Hämolyse (Kapitel 5-6) beschrieben. Durch eine neue Hypothese, in der das Blut als ein mehrphasiges Fluid betrachtet wird, wird dieses Phänomen belegt. Die vorgeschlagene Hypothese basiert auf der regionalen Verteilung der Erythrozyten, in Analogie zu den physiologichen Verhältnissen, innerhalb solcher Vorrichtungen, die bisher noch nicht systematisch untersucht wurde. Zwei modifizierte Taylor-Couette Apparaturen, realisiert durch zwei koaxiale Zylinder, „imitieren“ die rotatorischen Blutpumpen. Die dabei entstandenen Blutgeschwindigkeitsprofile sind so konzipiert und realisiert, um die Ergebnisse von Scherfeldvariation auf die resultierende Hämolyse zu untersuchen. Darüber hinaus ist ein semiempirisches Hämolysemodell, das die Gewichtungen der Hauptphänomene im Hämolyseprozess berücksichtigt, entwickelt, um ein besseres Verständnis der Hämolysemechanismus darzustellen. Die vorgeschlagene Hypothese sowie das semiempirischen Hämolysemodell werden dann durch in vitro-Untersuchungen bestätigt, die mit frischem Human- und Schweineblut durchgeführt wurden. Der Effekt der Filtrations- und Rückfiltrationsprozesse auf dem lokalen Hämatokrit in Dialysatoren und die anschließende Entstehung von Hämolyse, wird in dem zweiten Teil (Kapitel 7-9) untersucht. Mit Hilfe der Bilanzgleichungen sind semiempirische Modelle zur besseren Veranschaulichung der Fluid- bzw. Hämodynamik in den Dialyseverfahren entwickelt. Diese Modelle erlauben eine genaue Vorhersage des Hämatokritverlaugs, Blut- und Filterationsflussrate und Druckverläufe innerhalb des Dialysators. Zur Validierung der oben erwähnten semiempirischen Modelle werden in vitro-Untersuchungen unter Verwendung von Schweineblut für verschiedene experimentelle Untersuchungen durchgeführt.Die Erkenntnisse dieser Studie, die mit großen experimentellen Daten validiert wurden, zeigen, dass die Hypothese scherinduzierte Zellmigration und Verteilung einen erheblichen Einfluss auf die resultierende Hämolysebestimmung hat und stellt einen Schlüsselfaktor für die Konstruktion und Designoptimierung von den blutführenden künstlichen Organen für die Leistungsoptimierung und gleichzeitige Minimierung der Blutschädigung und vertretbare Hämokompatibilität dar.

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