TPMS

Oct 21, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 7160 (2022) Citar este artigo

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Os pulmões de membrana consistem em milhares de membranas de fibras ocas empacotadas juntas como um feixe. Os dispositivos muitas vezes sofrem de complicações devido ao fluxo não uniforme através do feixe de membranas, incluindo regiões de fluxo excessivamente alto e 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 deformar as geometrias originais do TPMS, a permeabilidade local dentro de qualquer região do módulo pode 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 de permeabilidade streamwise dentro de um domínio poroso computacional, a forma desejada de uma rede de elementos TPMS foi determinada por meio de simulação. Este formulário desejado foi traduzido em um modelo de desenho assistido por computador (CAD) para um protótipo de dispositivo. O dispositivo foi então produzido por meio de manufatura 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 a extensão promissora em que o TPMS pode servir como um novo bloco de construção 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 por membranas há décadas1,2. Muitas terapias médicas modernas são baseadas nesses tipos de processos de separação de membrana, direcionando o sangue dos pacientes para um módulo de membrana para apoiar a função do órgão nativo. Terapias como terapia de substituição renal3, suporte hepático extracorpóreo artificial4 ou assistência pulmonar extracorpórea (ECLA)5 são opções populares de tratamento para muitos pacientes. Embora distintas, cada uma dessas terapias depende de processos de separação de membranas. Da mesma forma, embora os dispositivos usados ​​em cada uma dessas terapias tenham certos requisitos exclusivos, a eficiência de troca adequada é um requisito de projeto onipresente e depende muito da homogeneidade do fluxo através do feixe de membrana de fibra oca.

Nos pulmões de membrana, as inomogeneidades de velocidade são mais comumente o resultado de geometrias de entrada e saída que introduzem e recebem fluxo sanguíneo de e para o feixe de fibras de maneira não uniforme. No geral, essa 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, enquanto em áreas de estagnação o sangue saturado não é removido, podem ocorrer fluxos de shunt levando a uma exploração insuficiente da área de superfície de troca gasosa7,8,9. Isso reduz a eficiência geral de troca do dispositivo. Finalmente, 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 bloquear a superfície de troca do dispositivo, esses trombos podem embolizar e levar à falha mecânica do dispositivo ou mesmo causar eventos adversos ao paciente12,13,14,15. De fato, o trombo oxigenador foi considerado uma das principais complicações mecânicas na oxigenação por membrana extracorpórea (ECMO), com um artigo de revisão revelando uma taxa de 20% de coagulação entre 1.473 casos16.

Os feixes de membranas de fibra modernos consistem em esteiras de fibra oca enroladas em torno de um núcleo central ou empilhadas umas sobre as outras perpendicularmente. Nos pulmões de membrana, o fluxo sanguíneo é direcionado ao redor do lúmen externo das fibras, com o gás fluindo pelo interior das fibras. No entanto, o sangue que flui através de um banco de fibras apresenta um desafio único. Independentemente de sua forma, confiar em fibras ocas como blocos de construção de seus módulos de membrana leva a uma consequência principal para todos os pulmões de membrana: uma resistência uniforme ao fluxo. Essa resistência uniforme é resultado da geometria uniforme das fibras ocas, bem como da disposição estreita e igualmente espaçada das mantas de fibras. Outra maneira de considerar isso seria discutir a permeabilidade fluida dos feixes de fibras como meios porosos, pois são tipicamente modelados para fins de simulação10,17,18. 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: