Simulation and experimental methods optimizing the design and performance of capillary membrane oxygenators

Membrankontaktoren, Liquid-Liquid oder Gas-Liquid sind Verfahrenstechnische Apparate, die auch in der klinischen Medizin ihre Anwendung finden. Oxygenatoren, Synonym für künstliche Lungen, sind Apparate die für verschiedene therapeutische Zwecke wie z. B. in der Herzchirurgie oder der Langzeit-Unterschützung der schwer erkrankten Lunge ihre Anwendung finden. Kapillarmembran-Oxygenatoren (CMO), die auf Hohlfasermembranen basieren, operieren als Gas-Liquid Membrankontaktoren mit normalerweise Sauerstoff als Gas- und dem Blut als Liquid-Phase. Der Gasaustausch findet aufgrund der Partialdruck- Differenz zwischen den beiden Phasen, so dass das venöse Blut arterialisiert wird; d. h. das venöse Blut nimmt den Sauerstoff auf und gibt einen Teil seines Kohlendioxids ab. Bei der Herstellung von CMOs sind geringere Membranoberflächen und Füllvolumina erwünscht, wobei ausreichende Gastransferleistung und niedriger Blutperfusionsdruck, wegen einer besseren Blutverträglichkeit notwendig sind, wobei diese können jedoch konträrere Wirkungen aufeinander haben. Um den genannten Herausforderungen Gerecht zu werden, wird im ersten Teil der Untersuchungen durch ein modifiziertes theoretisches Modell die geometrische Konfiguration bezüglich der Leistung des Oxygenators berücksichtigt. Hierfür werden mathematische Beziehungen für Blutdruckabfall und Gastransferrate sowie Effizienz- Faktoren eingeführt. Diese Beziehungen werden durch eine spezifische Simulations-Software angewandt, um den Einfluss der geometrischen Modifikationen des Prototyps, die eigens in der Größe von Erwachsenen Oxygenatoren- im Gegensatz zu manchen „Mini-Modellen“ in der Literatur, hergestellt wurde, zu untersuchen und zu validieren. Die Simulations-Ergebnisse werden anschließend durch in-vitro Untersuchungen mit Tierblut geprüft. Da die Anwendung von Blut bei Untersuchung der Oxygenatoren sehr arbeitsintensiv ist, werden zwei alternative Methoden vorgestellt, um das Blut für Routine-Untersuchungen bei der Testung der Oxygenatoren bezüglich O2- und CO2-Trasnsferrate zu ersetzen. Diese Methoden basieren auf Oxidation für Sulfitlösungen und CO2 Dissoziation in Wasser, die eine schnelle und reproduzierbare Testung der Oxygenatoren ermöglichen. Die erzielten Ergebnisse demonstrieren, dass die vorgestellten Methoden und computerunterstützte Simulation für Hämodynamik und Gasaustauschsverhalten, die sich auf experimentelle Daten stützen als eine effektive Methode für die Optimierung der Konstruktion der Oxygenatoren und deren Leistung für beliebige Größen für experimentelle und klinische Anwendung eignet.