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

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Membrankontaktoren, wie Liquid-Liquid oder Gas-Liquid, finden auch in der klinischen Medizin Anwendung. Oxygenatoren, auch künstliche Lungen genannt, werden in der Herzchirurgie und zur Langzeitunterstützung schwer erkrankter Lungen eingesetzt. Kapillarmembran-Oxygenatoren (CMO) nutzen Hohlfasermembranen als Gas-Liquid-Kontaktoren, wobei Sauerstoff als Gas- und Blut als Flüssigkeitsphase fungiert. Der Gasaustausch erfolgt durch die Partialdruckdifferenz, wodurch venöses Blut arterialisiert wird, also Sauerstoff aufnimmt und Kohlendioxid abgibt. Bei der Herstellung von CMOs sind kleinere Membranoberflächen und Füllvolumina wünschenswert, um ausreichende Gastransferleistung und niedrigen Blutperfusionsdruck zu gewährleisten, was jedoch zu gegensätzlichen Effekten führen kann. Um diese Herausforderungen zu adressieren, wird im ersten Teil ein modifiziertes theoretisches Modell zur geometrischen Konfiguration des Oxygenators entwickelt. Mathematische Beziehungen für Blutdruckabfall und Gastransferrate sowie Effizienzfaktoren werden eingeführt und mittels spezifischer Simulationssoftware angewandt, um die geometrischen Modifikationen des Prototyps zu untersuchen. Die Ergebnisse werden durch in-vitro-Tests mit Tierblut validiert. Da Blutuntersuchungen aufwendig sind, werden zwei alternative Methoden vorgestellt, um Blut für Routineuntersuchungen zu ersetzen, die auf Oxidation und CO2-Dissoziation basieren. Die Ergebnisse zeigen, das