Impact of red cell distribution in sheared blood flow upon quantification of hemolysis rate in artificial organs

Poorkhalil, Ali; Büchs, Jochen; Mottaghy, Khosrow

doi:HT019117671

Impact of red cell distribution in sheared blood flow upon quantification of hemolysis rate in artificial organs = Einfluß der Verteilung der roten Blutkörperchen in einer Scherströmung auf die Hämolyse in künstlichen Organen

Poorkhalil, Ali

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ali Poorkhalil

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Verlagshaus Mainz GmbH 2016

Umfang1 Online-Ressource (x, 174 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95886-118-3

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Büchs, Jochen (Thesis advisor)^RWTH* ; Mottaghy, Khosrow (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-09-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-070535
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/668814/files/668814.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/668814/files/668814.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
cell distribution (frei) ; shear field (frei) ; artificial organs (frei) ; hemolysis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Künstliche Organe zur temporären bzw. dauerhaften Unterstützung und Ersatz von erkrankten Organen finden immer mehr Anwendung in der modernen Medizin. Bei Optimierung von Design und Konstruktion der künstlichen Organen sind nicht nur die Leistungsdaten des zu entwickelnden künstlichen Organs von Bedeutung, sondern auch die Frage der Hämokompatibilität und des Bluttraumas insbesondere Hämolyse. Gerade bei der Langzeitanwendung von künstlichen Organen nehmen diese Faktoren an Bedeutung zu. Mechanische Hämolyse ist vordergründig eine Funktion der Scherspannung und Belastungsdauer. Jeder Anwendung, basierend auf ihrer Funktion, Einsatzzweck und Dauer, werden unterschiedliche Betriebsbedingungen zugrunde gelegt: Hohe Scherbeanspruchung und kurze Belastungsdauer, z.B. Ventrikel Unterstützungssysteme (Ventricle Assist Device, VAD) mit Hilfe von „ Rotary Pumps“ oder niedrigere Scherbelastungen aber langere Anwendungsdauer wie bei Dialyseverfahren.Bei der Konstruktion und Optimierung von rotatorischen Blutpumpen sind unterschiedliche Aspekte, vor allem Maximierung der Pumpleistung und Minimierung deren Größe für eine minimale Schädigung der Blutzellen zu berücksichtigen. Allerdings haben Optimierungen unter verschiedenen Vorgaben widersprüchliche Auswirkungen aufeinander. Hohe Pumpleistung zu erzielen, hat zur Folge, dass innerhalb der Pumpe Regionen mit hoher Scherbelastung für die Blutzellen auftreten, wodurch die Blutzellen in diesen Regionen extrem beansprucht werden. Im zweiten Teil der Studie, als umgekehrter Fall zu den rotatorischen Blutpumpen (VAD-Systemen) in Bezug auf die Strömungscharakteristik, werden herkömmliche Dialysatoren untersucht. Trotz ihrer relativ geringen Scherbeanspruchung weisen sie z.B. im Vergleich zu den rotatorischen Blutpumpen eine längere Belastungspriode im künstlichen Organ auf, die die Notwendigkeit der Designoptimierung für eine minimale Bluttraumatisierung und infolge dessen eine höhere Hämokompatibilität hervorhebt. Um die oben genannten Aspekte zu untersuchen, werden im ersten Teil der Arbeit die theoretiche-physiologiche Hintergrounde (Kapital 1-4) und anschliessend die Auswirkung des lokalen Hämatokrit-Wertes durch die Scherfeldverteilung auf die Hämolyse (Kapitel 5-6) beschrieben. Durch eine neue Hypothese, in der das Blut als ein mehrphasiges Fluid betrachtet wird, wird dieses Phänomen belegt. Die vorgeschlagene Hypothese basiert auf der regionalen Verteilung der Erythrozyten, in Analogie zu den physiologichen Verhältnissen, innerhalb solcher Vorrichtungen, die bisher noch nicht systematisch untersucht wurde. Zwei modifizierte Taylor-Couette Apparaturen, realisiert durch zwei koaxiale Zylinder, „imitieren“ die rotatorischen Blutpumpen. Die dabei entstandenen Blutgeschwindigkeitsprofile sind so konzipiert und realisiert, um die Ergebnisse von Scherfeldvariation auf die resultierende Hämolyse zu untersuchen. Darüber hinaus ist ein semiempirisches Hämolysemodell, das die Gewichtungen der Hauptphänomene im Hämolyseprozess berücksichtigt, entwickelt, um ein besseres Verständnis der Hämolysemechanismus darzustellen. Die vorgeschlagene Hypothese sowie das semiempirischen Hämolysemodell werden dann durch in vitro-Untersuchungen bestätigt, die mit frischem Human- und Schweineblut durchgeführt wurden. Der Effekt der Filtrations- und Rückfiltrationsprozesse auf dem lokalen Hämatokrit in Dialysatoren und die anschließende Entstehung von Hämolyse, wird in dem zweiten Teil (Kapitel 7-9) untersucht. Mit Hilfe der Bilanzgleichungen sind semiempirische Modelle zur besseren Veranschaulichung der Fluid- bzw. Hämodynamik in den Dialyseverfahren entwickelt. Diese Modelle erlauben eine genaue Vorhersage des Hämatokritverlaugs, Blut- und Filterationsflussrate und Druckverläufe innerhalb des Dialysators. Zur Validierung der oben erwähnten semiempirischen Modelle werden in vitro-Untersuchungen unter Verwendung von Schweineblut für verschiedene experimentelle Untersuchungen durchgeführt.Die Erkenntnisse dieser Studie, die mit großen experimentellen Daten validiert wurden, zeigen, dass die Hypothese scherinduzierte Zellmigration und Verteilung einen erheblichen Einfluss auf die resultierende Hämolysebestimmung hat und stellt einen Schlüsselfaktor für die Konstruktion und Designoptimierung von den blutführenden künstlichen Organen für die Leistungsoptimierung und gleichzeitige Minimierung der Blutschädigung und vertretbare Hämokompatibilität dar.

Blood contacting artificial organs, whether used as a bridge to transplantation, or even as a permanent organ replacement, find ever increasing application in contemporary medicine. Hemocompatibility and blood trauma minimization (e.g. hemolysis) are the two key factors in artificial organ development and design optimization. These issues become rather imperative for blood contacting devices, designed for long term application. Hemolysis is considered to be a function of shear stress and shear exposure time. Each device, based on its function, it may perform under a very broad range of operational conditions; high shear stress and short exposure time, e.g. ventricle assist devices (VADs) or low shear stress and long exposure time (e.g. dialyzers). Where VADs are concerned, high shear regions might be unavoidable on the ground of pumping performance maximization, but on the other hand, the existence of these regions tends to be avoided, due to design modifications for improved hemocompatibility. However, the performance and design characteristics have contradictory effects on each other, concerning their optimization. In spite of their low shear stress, conventional dialyzers exhibit relatively long exposure and contact time with foreign surfaces, which highlights the necessity of design optimization for good hemocompatibility. In an effort to address the above stated challenges, the first part of this study describes the theoretical and physiological background (chapter 1-4) and further the experimental studies (Chapters 5-6), as a manifestation of shear field induced erythrocyte distribution and local hematocrit, on the resulting hemolysis, through an innovative hypothesis that treats blood as a multiphase fluid. Two modified Taylor – Couette devices mimicking the VADs blood flow pattern, are designed and manufactured to investigate the outcomes of shear field variation on the resulting hemolysis. In addition, a semi-empirical hemolysis model that considers the dominant phenomena involved in the process, is presented, to provide a better understanding and prediction of the resulting hemolysis mechanism. The proposed hypothesis as well as the semi-empirical hemolysis model are then validated by in-vitro investigations, using fresh human and animal (porcine) blood. The effect of filtration and backfiltration processes on local hematocrit in dialyzers, and the subsequent generation of hemolysis, is studied in the second part (Chapters 7-9) as a counter case to VADs. Semi-empirical models predicting the courses of hematocrit, flow rate and pressure, are introduced, and mathematical equations governing the mass transfer phenomena are established, in order to further the understanding of dialysis hemodynamics. In-vitro investigations are carried out for different validation purposes, using porcine blood, in pursuance of the aforementioned mathematical models. The findings of this study emphasize the importance of the consideration of shear induced cell migration and distribution, has a significant impact on the resulting hemolysis, and is a key factor for the design and performance optimization of artificial organs with various flow characteristics.

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