TPMS

Oct 21, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 7160 (2022) Цитировать эту статью

1502 Доступа

2 цитаты

Подробности о метриках

Мембранные легкие состоят из тысяч мембран из полых волокон, собранных вместе в пучок. Устройства часто страдают от осложнений из-за неравномерного потока через мембранный пучок, включая участки как с чрезмерно высоким потоком, так и с застойным потоком. Здесь мы представляем экспериментальную концепцию мембранного легкого, содержащего мембранный модуль на основе тройных периодических минимальных поверхностей (TPMS). Искажая исходную геометрию TPMS, можно было повысить или понизить локальную проницаемость в любой области модуля, что позволило адаптировать распределение кровотока через устройство. Путем создания итерационной схемы оптимизации для определения распределения продольной проницаемости внутри расчетной пористой области посредством моделирования была определена желаемая форма решетки элементов TPMS. Эта желаемая форма была преобразована в модель автоматизированного проектирования (САПР) прототипа устройства. Затем устройство было изготовлено с помощью аддитивного производства, чтобы протестировать новую конструкцию на стандартном отраслевом устройстве. Распределение потока было достоверно гомогенизировано, а время пребывания сокращено, что обещало более эффективную работу и повышенную устойчивость к тромбозу. Эта работа показывает многообещающую степень, в которой TPMS может служить новым строительным блоком обменных процессов в медицинских устройствах.

Мембраны из полых волокон на протяжении десятилетий были отраслевым стандартом для различных технических и промышленных процессов мембранного разделения1,2. Многие современные медицинские методы лечения основаны на такого рода процессах мембранного разделения, направляя кровь пациентов в мембранный модуль для поддержания естественной функции органа. Такие методы лечения, как заместительная почечная терапия3, искусственная экстракорпоральная поддержка печени4 или экстракорпоральная поддержка легких (ECLA)5, являются популярными вариантами лечения для многих пациентов. Хотя каждый из этих методов различен, он зависит от процессов мембранного разделения. Аналогичным образом, хотя устройства, используемые в каждом из этих методов лечения, имеют определенные уникальные требования, адекватная эффективность обмена является повсеместным требованием к конструкции и в значительной степени зависит от однородности потока через пучок половолоконных мембран.

В мембранных легких неоднородность скорости чаще всего является результатом геометрии входного и выходного отверстия, из-за которой поток крови в пучок волокон поступает и поступает неравномерно. В целом, такое неравномерное распределение потока оказывает несколько негативных последствий на производительность устройства. Во-первых, он создает области высокоскоростного потока внутри пучка, подвергая кровь высоким напряжениям сдвига и вызывая повреждение эритроцитов и активацию тромбоцитов6. Во-вторых, пока в застойных зонах насыщенная кровь не удаляется, могут возникать шунтирующие потоки, приводящие к недостаточному использованию площади газообменной поверхности7,8,9. Это снижает общую эффективность обмена устройства. Наконец, неравномерные поля потока приводят к появлению областей с низким или застойным потоком, что может привести к образованию тромбов в пучке волокон10,11. Помимо простой блокировки обменной поверхности устройства, эти тромбы могут эмболизировать и привести к механическому повреждению устройства или даже вызвать неблагоприятные события для пациента12,13,14,15. Действительно, тромб оксигенатора оказался одним из ведущих механических осложнений при экстракорпоральной мембранной оксигенации (ЭКМО), причем в одной обзорной статье была выявлена ​​20%-ная частота свертывания крови среди 1473 случаев16.

Современные пучки волокнистых мембран состоят из матов из полых волокон, намотанных вокруг центрального сердечника или уложенных друг на друга перпендикулярно. В мембранных легких поток крови направляется вокруг внешнего просвета волокон, а газ течет через внутреннюю часть волокон. Однако кровь, текущая через банк волокон, представляет собой уникальную проблему. Независимо от их формы, использование полых волокон в качестве строительных блоков мембранных модулей приводит к одному главному последствию для всех мембранных легких: равномерному сопротивлению потоку. Это равномерное сопротивление является результатом однородной геометрии полых волокон, а также узкого и равномерного расположения волоконных матов. Другой способ рассмотреть это — обсудить проницаемость для жидкости пучков волокон как пористой среды, поскольку они обычно моделируются для целей моделирования10,17,18. Зависящая только от геометрии пути потока проницаемость Kperm связывает потерю давления \(\frac{\partial p}{\partial {x}_{i}}\) с поверхностной скоростью vs для конкретного направление ползучих потоков согласно закону Дарси19: