TPMS

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 7160 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Os pulmões de membrana consistem em milhares de membranas de fibras ocas agrupadas como um feixe. Os dispositivos sofrem frequentemente de complicações devido ao fluxo não uniforme através do feixe de membranas, incluindo regiões tanto de fluxo excessivamente elevado como de fluxo estagnado. Aqui, apresentamos um projeto de prova de conceito para um pulmão de membrana contendo um módulo de membrana baseado em superfícies mínimas triplamente periódicas (TPMS). Ao distorcer as geometrias originais do TPMS, a permeabilidade local dentro de qualquer região do módulo poderia ser aumentada ou diminuída, permitindo a adaptação da distribuição do fluxo sanguíneo através do dispositivo. Ao criar um esquema de otimização iterativo para determinar a distribuição da permeabilidade streamwise dentro de um domínio poroso computacional, a forma desejada de uma rede de elementos TPMS foi determinada por meio de simulação. Esta forma desejada foi traduzida em um modelo de design auxiliado por computador (CAD) para um protótipo de dispositivo. O dispositivo foi então produzido por meio de fabricação aditiva para testar o novo design em relação a um dispositivo predicado padrão da indústria. A distribuição do fluxo foi comprovadamente homogeneizada e o tempo de residência reduzido, prometendo um desempenho mais eficiente e maior resistência à trombose. Este trabalho mostra até que ponto o TPMS pode servir como um novo alicerce para processos de troca em dispositivos médicos.

As membranas de fibra oca têm sido o padrão da indústria para uma variedade de processos técnicos e industriais de separação de membranas há décadas1,2. Muitas terapias médicas modernas baseiam-se nestes tipos de processos de separação de membranas, direcionando o sangue dos pacientes para um módulo de membrana, a fim de apoiar a função nativa do órgão. Terapias como terapia de substituição renal3, suporte hepático extracorpóreo artificial4 ou assistência pulmonar extracorpórea (ECLA)5 são opções de tratamento populares para muitos pacientes. Embora distintas, cada uma dessas terapias depende de processos de separação de membranas. Da mesma forma, embora os dispositivos utilizados em cada uma destas terapias tenham certos requisitos únicos, a eficiência de troca adequada é um requisito de design omnipresente e depende muito da homogeneidade do fluxo através do feixe de membrana de fibra oca.

Nas membranas pulmonares, as heterogeneidades de velocidade são mais comumente o resultado de geometrias de entrada e saída que introduzem e recebem o fluxo sanguíneo de e para o feixe de fibras de maneira não uniforme. No geral, esta distribuição de fluxo não uniforme tem vários impactos negativos no desempenho do dispositivo. Primeiro, cria áreas de regimes de fluxo de alta velocidade dentro do feixe, expondo o sangue a altas tensões de cisalhamento e causando danos aos glóbulos vermelhos e ativação plaquetária6. Em segundo lugar, embora em áreas de estagnação o sangue saturado não seja removido, podem ocorrer fluxos de derivação, levando à exploração insuficiente da área de superfície de troca gasosa7,8,9. Isto reduz a eficiência geral de troca do dispositivo. Por fim, campos de fluxo não uniformes resultam em áreas de fluxo baixo ou estagnado, o que pode levar à formação de trombos no feixe de fibras10,11. Além de simplesmente bloquearem a superfície de troca do dispositivo, esses trombos podem embolizar e levar à falha mecânica do dispositivo ou até mesmo causar eventos adversos ao paciente12,13,14,15. Na verdade, o trombo do oxigenador foi considerado uma das principais complicações mecânicas na oxigenação por membrana extracorpórea (ECMO), com um artigo de revisão revelando uma taxa de coagulação de 20% entre 1.473 casos16.

Os feixes de membranas de fibra modernos consistem em esteiras de fibras ocas enroladas em torno de um núcleo central ou empilhadas umas sobre as outras perpendicularmente. Nos pulmões com membrana, o fluxo sanguíneo é direcionado ao redor do lúmen externo das fibras, com o gás fluindo através do interior das fibras. No entanto, o sangue que flui através de um banco de fibras apresenta um desafio único. Independentemente da sua forma, confiar em fibras ocas como blocos de construção dos seus módulos de membrana leva a uma consequência principal para todos os pulmões de membrana: uma resistência uniforme ao fluxo. Esta resistência uniforme é resultado da geometria uniforme das fibras ocas, bem como da disposição estreita e igualmente espaçada das esteiras de fibra. Outra maneira de considerar isso seria discutir a permeabilidade ao fluido dos feixes de fibras como meios porosos, uma vez que são tipicamente modelados para fins de simulação . Dependendo apenas da geometria do caminho do fluxo, a permeabilidade, Kperm, relaciona a perda de pressão, \(\frac{\partial p}{\partial {x}_{i}}\), à velocidade superficial, vs, para um determinado direção em fluxos rastejantes via Lei de Darcy19: