TPMS

Oct 21, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 7160 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Membranlungen bestehen aus Tausenden von Hohlfasermembranen, die zu einem Bündel zusammengepackt sind. Bei den Geräten kommt es häufig zu Komplikationen aufgrund einer ungleichmäßigen Strömung durch das Membranbündel, einschließlich Bereichen mit übermäßig hohem Durchfluss und stagnierendem Durchfluss. Hier präsentieren wir ein Proof-of-Concept-Design für eine Membranlunge, die ein Membranmodul enthält, das auf dreifach periodischen Minimaloberflächen (TPMS) basiert. Durch Verzerren der ursprünglichen TPMS-Geometrien konnte die lokale Durchlässigkeit in jedem Bereich des Moduls erhöht oder verringert werden, was eine maßgeschneiderte Blutflussverteilung durch das Gerät ermöglichte. Durch die Erstellung eines iterativen Optimierungsschemas zur Bestimmung der Verteilung der Strömungspermeabilität innerhalb einer rechnerischen porösen Domäne wurde die gewünschte Form eines Gitters aus TPMS-Elementen durch Simulation bestimmt. Diese gewünschte Form wurde in ein CAD-Modell (Computer Aided Design) für einen Prototyp eines Geräts übersetzt. Anschließend wurde das Gerät mittels additiver Fertigung hergestellt, um das neuartige Design anhand eines Industriestandard-Prädikatgeräts zu testen. Die Strömungsverteilung wurde nachweislich homogenisiert und die Verweilzeit verkürzt, was eine effizientere Leistung und eine erhöhte Thromboseresistenz verspricht. Diese Arbeit zeigt, in welchem ​​vielversprechenden Ausmaß TPMS als neuer Baustein für Austauschprozesse in medizinischen Geräten dienen kann.

Hohlfasermembranen sind seit Jahrzehnten der Industriestandard für eine Vielzahl technischer und industrieller Membrantrennverfahren1,2. Viele moderne medizinische Therapien basieren auf solchen Membrantrennverfahren, bei denen das Blut des Patienten in ein Membranmodul geleitet wird, um die native Organfunktion zu unterstützen. Therapien wie die Nierenersatztherapie3, die künstliche extrakorporale Leberunterstützung4 oder die extrakorporale Lungenunterstützung (ECLA)5 sind für viele Patienten beliebte Behandlungsoptionen. Obwohl sie unterschiedlich sind, basiert jede dieser Therapien auf Membrantrennprozessen. Auch wenn die bei jeder dieser Therapien verwendeten Geräte bestimmte einzigartige Anforderungen haben, ist eine angemessene Austauscheffizienz eine allgegenwärtige Designanforderung und hängt in hohem Maße von der Homogenität des Flusses durch das Hohlfasermembranbündel ab.

In Membranlungen sind Geschwindigkeitsinhomogenitäten am häufigsten das Ergebnis von Einlass- und Auslassgeometrien, die den Blutfluss zum und vom Faserbündel ungleichmäßig einleiten und empfangen. Insgesamt hat diese ungleichmäßige Strömungsverteilung mehrere negative Auswirkungen auf die Geräteleistung. Erstens entstehen innerhalb des Bündels Bereiche mit Hochgeschwindigkeitsströmungen, die das Blut hohen Scherspannungen aussetzen und eine Schädigung der roten Blutkörperchen sowie eine Aktivierung der Blutplättchen verursachen6. Zweitens: Während in Stagnationsbereichen gesättigtes Blut nicht entfernt wird, kann es zu Shunt-Strömungen kommen, die zu einer unzureichenden Ausnutzung der Gasaustauschoberfläche führen7,8,9. Dies verringert die Gesamtaustauscheffizienz des Geräts. Schließlich führen ungleichmäßige Strömungsfelder zu Bereichen mit geringer oder stagnierender Strömung, was zur Thrombusbildung im Faserbündel führen kann10,11. Abgesehen davon, dass sie einfach die Austauschoberfläche des Geräts blockieren, können diese Thromben eine Embolie verursachen und zu einem mechanischen Versagen des Geräts oder sogar zu unerwünschten Ereignissen für den Patienten führen12,13,14,15. Tatsächlich wurde festgestellt, dass Oxygenator-Thrombus eine der häufigsten mechanischen Komplikationen bei der extrakorporalen Membranoxygenierung (ECMO) ist. In einem Übersichtsartikel wurde eine Gerinnungsrate von 20 % bei 1473 Fällen festgestellt16.

Moderne Fasermembranbündel bestehen aus Hohlfasermatten, die entweder um einen zentralen Kern gewickelt oder senkrecht übereinander gestapelt sind. In Membranlungen wird der Blutfluss um das äußere Lumen der Fasern geleitet, während Gas durch das Faserinnere strömt. Allerdings stellt der Blutfluss durch eine Faserbank eine einzigartige Herausforderung dar. Unabhängig von ihrer Form führt die Verwendung von Hohlfasern als Bausteine ​​ihrer Membranmodule zu einer Hauptkonsequenz für alle Membranlungen: einem gleichmäßigen Strömungswiderstand. Dieser gleichmäßige Widerstand ist auf die gleichmäßige Geometrie der Hohlfasern sowie die enge, gleichmäßige Anordnung der Fasermatten zurückzuführen. Eine andere Möglichkeit, dies zu berücksichtigen, wäre die Diskussion der Flüssigkeitsdurchlässigkeit der Faserbündel als poröse Medien, wie sie typischerweise für Simulationszwecke modelliert werden10,17,18. Die Permeabilität Kperm hängt nur von der Geometrie des Strömungspfads ab und setzt den Druckverlust \(\frac{\partial p}{\partial {x}_{i}}\) mit der Oberflächengeschwindigkeit vs für einen bestimmten Wert in Beziehung Richtung in kriechenden Strömungen über Darcys Gesetz19:

wobei η die dynamische Viskosität ist. Die Gleichung verdeutlicht, dass die lokale Oberflächengeschwindigkeit über die Permeabilität direkt proportional zum treibenden Druckgradienten ist. Dies bedeutet, dass ein gleichmäßiger Strömungswiderstand, also eine konstante Durchlässigkeit, Strömungsinhomogenitäten zwischen beispielsweise zwei benachbarten Stromlinien nicht ausgleichen kann. Dies bedeutet, dass eine lokale Änderung der Permeabilität eine Beeinflussung der Strömung durch mikroskopische Modifikationen hin zu einer homogenen makroskopischen Strömungsverteilung ermöglichen würde. Letztlich würde dies zu effizienteren Geräten führen, die zudem weniger anfällig für Stagnation und Thrombose sind. Daher ist eine Alternative zu Hohlfasern erforderlich, um die Leistung und Sicherheit von Membranlungen zu verbessern.

Moderne additive Fertigungstechnologien haben die Herstellung von dreifach periodischen Minimalflächen (TPMS) für eine Vielzahl technischer und industrieller Anwendungen ermöglicht20,21,22. TPMS sind Oberflächen, die den Raum in zwei kongruente, miteinander verwobene Kompartimente unterteilen. TPMS sind periodisch und können in alle drei Raumrichtungen unendlich erweitert werden. Als Membranabstandshalter verbesserten TPMS-Geometrien den Wärme- und Stofftransfer und reduzierten die Verschmutzung bei Ultrafiltrations-, Destillations- und Umkehrosmoseanwendungen23,24. Als makroskopische Bausteine ​​von Membranen erhöhten TPMS-Geometrien die Trenneffizienz bei der Öl-in-Wasser-Demulgierung25. Erste Untersuchungen der Wärme- und Stoffübertragungseigenschaften von TPMS-basierten Mikrofluidikmodulen zeigten eine deutliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Membrangeometrien26,27,28. Auch für Blutgasaustauscher wurde experimentell eine höhere Gastransferrate im Vergleich zu einem hochmodernen Hohlfasermembrandesign gezeigt29. Abgesehen von ihrer hohen Interkonnektivität und Stabilität können TPMS auch zur Erzeugung von Gittern mit Porositätsgradienten30,31,32 verwendet werden. Während dies häufig im Zusammenhang mit der Vorbereitung von Zellgerüsten für das Tissue Engineering angewendet wird, könnten ähnliche Techniken angewendet werden, um die Strömungsverteilung einer vorbeiströmenden Flüssigkeit zu manipulieren. Die Integration von TPMS in Membranmodule, die aus einem Netzwerk individuell modifizierbarer periodischer Elemente bestehen, könnte nicht nur die Effizienz des Moduls steigern, sondern auch dazu beitragen, typische Probleme bei extrakorporalen Transmembrantherapien zu lindern.

Hier präsentieren wir eine neuartige Methode zur Erstellung von TPMS-basierten Membranmodulen zur Verbesserung der Strömungsverteilung in Membranlungen unter Verwendung eines permeabilitätsbasierten Ansatzes zur Manipulation der TPMS-Form. Es wurde ein simulationsbasiertes Optimierungsschema zur Bestimmung der Permeabilitätsverteilung in einem Membranmodul entwickelt. Die Ergebnisse dieser Simulation wurden dann in den Entwurf eines Prototyp-Membranmoduls übertragen. Schließlich wurden Prototypgeräte hergestellt und mithilfe von In-vitro-Experimenten mit einem modernen Membranlungengerät verglichen, um sowohl Simulationsergebnisse als auch die TPMS-basierten Membrangeometrien zu validieren.

Um den Einfluss der lokal veränderten neuartigen Membrangeometrien auf die Strömungsverteilung in einer Membranlunge genau zu bewerten, wurde ein marktübliches Gerät als Vergleichsmodell ausgewählt. Das interventionelle Lung Assist (iLA)-Gerät Novalung (Xenios AG, Heilbronn, Deutschland) ist häufig bei Patienten mit respiratorischer Azidose als Folge eines akuten Atemnotsyndroms (ARDS) indiziert33. Es ist für Durchflussmengen zwischen 0,5 und 4,5 l/min zugelassen und hält nachweislich über den gesamten Durchflussbereich einen Druckabfall unter 20 mmHg auf34. Dieser geringe Widerstand ermöglicht den Einsatz des iLA in pumpenlosen Anwendungen, die vom arterio-venösen Druckgradienten des Patienten und damit bei relativ niedrigen Flussraten gesteuert werden35. Anwendungen mit geringem Durchfluss erhöhen deutlich das Risiko einer Thrombusbildung und unterstreichen die Bedeutung einer homogenen Durchflussverteilung innerhalb des Geräts.

Das Gerät besteht aus zwei identischen Strömungsvorkammern, die auf beiden Seiten einer gestapelten Fasermatte angeordnet sind (Abb. 1a). Das Faserbündel selbst stellt eine 1,3 m2 große Austauschfläche aus Polymethylpenten (PMP)-Hohlfasern dar, die senkrecht zueinander gestapelt sind und ein Kreuzmuster bilden. Der Innen- und Außendurchmesser der PMP-Hohlfasern (OXYPLUS™, 3 M/Membrana, Wuppertal, Deutschland) betragen 200 µm bzw. 380 µm. Eine detailliertere Beschreibung der Faseranordnung in einem solchen Hohlfasermembranbündel wurde an anderer Stelle veröffentlicht36. Infolgedessen weist das Faserbündel zwei unterschiedliche Permeabilitäten auf: strömungsmäßig, senkrecht zu jeder Fasermatte; und quer, entlang der Länge jedes Fasersatzes. Das Bündel hat eine Grundfläche von ca. 100 × 100 mm2 und ist 20 mm dick. Auf jeder Seite des Faserbündels ist eine 2 mm dicke Diffusorplatte aus Polycarbonat angebracht, die ein sechseckiges Muster aus 4 mm großen Löchern enthält (Abb. 1c, d). Einlass und Auslass liegen einander direkt gegenüber in der unteren Ecke des Gerätes (Abb. 1b). Die Entlüftungsöffnung in der oberen Ecke ermöglicht ein einfaches Vorbereiten des Geräts zu Beginn der Therapie. Dies verbessert zwar die Bedienbarkeit des Gerätes, begünstigt aber auch eine ungleichmäßige Strömungsverteilung im Betrieb. Während in der unteren Ecke eine Unterbrechung des Flusses zwischen Einlass und Auslass sehr wahrscheinlich ist, ist in der oberen Ecke das Risiko eines stagnierenden Flusses und einer Thrombose erhöht, insbesondere bei niedrigen Flussbedingungen (< 1,5 l/min)37,38. Tatsächlich zeigten erste Erfahrungen mit dem iLA-Gerät, dass Bereiche der Flusskammern mit geringem oder stagnierendem Fluss genau die Bereiche waren, in denen die meisten Thromben gefunden wurden34.

Ein iLA-Membranventilator, der in dieser Studie als Prädikatsgerät verwendet wird. (a) Übersicht über das Prädikatsgerät. Beachten Sie den gegenüberliegenden Einlass und Auslass (b) aufgeschnittenes Prädikatgerät (1) Entlüftungsöffnungen in der obersten Ecke (2) Vorkammern (3) Auslass (4) Einlass [Rechtecke zeigen die Position der vergrößerten Bilder in (c) und an (d)] (c) vergrößerte Seitenansicht (5) Verteilerplatte mit gleichmäßig verteilten Löchern (d) vergrößerte Ansicht des Einlass-Auslass-Abschnitts (6) Verteilerplatten (7) Hohlfaserbündel.

Ziel dieser Studie ist die Entwicklung eines TPMS-basierten Prototyps auf Basis des iLA-Geräts, der ideale homogene Strömungsbedingungen bietet. Unter inhomogenen Strömungsbedingungen weichen die Strömungsgeschwindigkeiten in Strömungsrichtung erheblich vom Durchschnitt ab, der hier als Videal bezeichnet wird. Im Gegensatz dazu werden homogene Strömungsbedingungen erreicht, wenn diese Abweichung vom Ideal zu Null wird.

Der vorgestellte Ansatz umfasst mehrere Schritte iterativer Strömungssimulationen und Nachbearbeitung zur Herstellung solcher Prototypen. Bevor in den folgenden Abschnitten näher darauf eingegangen wird, wird hier zunächst ein Überblick über den Entwurf und die Konstruktion des Prototyps gegeben (Abb. 2). Zunächst wurden Basissimulationen des anfänglichen Strömungsfelds des Prädikatgeräts durchgeführt, um eine Vergleichsbasis für nachfolgende Prototypensimulationen bereitzustellen. Der anfängliche Strömungsfeld-Vinit wurde unter Verwendung einer Betriebsströmungsrate (\({\dot{V}}_{op}\)) und einer gleichmäßigen Permeabilität (Kinit) der Faserbündeldomäne simuliert. Anschließend wurden Simulationen einzelner TPMS-Elemente durchgeführt, um den erreichbaren Bereich der Membranmodulpermeabilitäten zu bestimmen. In der Praxis wurde dies dadurch erreicht, dass Standard-TPMS-Geometrien um einen multiplikativen Faktor „c“ verzerrt und dann der Fluss über diese deformierten TPMS simuliert wurde. Die resultierenden Druckverluste für jede Geometrie wurden zur Berechnung des Bereichs der erreichbaren Permeabilitäten [Kmin; Kmax], die dann verwendet wurden, um die Grenzen eines Optimierungsprozesses festzulegen. Dabei wurden Strömungsgeschwindigkeiten durch ein Prototypmodul simuliert, mit einem Idealszenario verglichen und zur Aktualisierung der punktuellen 3D-Durchlässigkeit im Gerät für die nächste Iteration verwendet. In der Praxis bedeutet dies, dass das Optimierungsschema die punktweise Permeabilität innerhalb der Grenzen von [Kmin; Kmax] entsprechend der Differenz zwischen der simulierten Strömungsgeschwindigkeit an diesem Punkt und der idealen Strömungsgeschwindigkeit. Dieses aktualisierte, ungleichmäßige Permeabilitätsfeld Kopt(x,y,z) wurde dann in der nächsten Iteration anstelle von Kinit verwendet. Dieser iterative Prozess wurde für eine einzelne Durchflussrate fortgesetzt, bis die Simulationsergebnisse eine ausreichende Verbesserung im Vergleich zum Vergleichsgerät zeigten. Anschließend wurde das Prototypgerät mit jeder der für das Vergleichsgerät gewählten Durchflussraten simuliert, um einen angemessenen Vergleich und eine angemessene Analyse der Ergebnisse zu ermöglichen.

Schematischer Arbeitsablauf, der in dieser Studie zum Umbau eines Prädikatgeräts in Richtung einer optimierten Strömungsverteilung auf Basis von TPMS-Membranelementen verwendet wird. Bei der anschließenden Konstruktion und Herstellung wird die geometrische Beziehung der TPMS-Elemente und ihrer Permeabilität KTPMS(c) für die Übersetzung des optimierten Permeabilitätsfeldes Kopt in reale TPMS-Modelle verwendet. Anschließend werden die einzelnen Flächen zu einem Netzwerk zusammengesetzt und für den 3D-Druck vorbereitet.

Zu diesem Zeitpunkt wurde der 3D-Datensatz, der die punktweise Permeabilität Kopt(x,y,z) darstellt, exportiert und in CAD-Daten übersetzt. Diese räumlich definierten Permeabilitätsinformationen mussten in TPMS-Geometriedaten übersetzt werden, die dann zur Erstellung von Prototypen von Membranmodulen verwendet werden konnten, die die vorgeschriebenen lokalen Permeabilitäten aufweisen und mit Rapid-Prototyping-Methoden gedruckt werden könnten. Hierzu wurde der Zusammenhang zwischen der Geometrie der RDKS-Elemente und ihrer Durchlässigkeit, KTPMS(c), genutzt. Es wurde ein Korpus von STL-Dateien erstellt, die die TPMS-Elemente darstellen, die zur Erstellung des vorgeschriebenen Membranmoduls erforderlich wären. Diese STL-Dateien wurden dann kombiniert, nachbearbeitet und für den 3D-Druck vorbereitet. Die Membranmodule wurden 3D-gedruckt und zusammen mit Peripheriekomponenten zum Prototypgerät zusammengebaut, das anschließend für Labortests verwendet wurde.

Abbildung 3a zeigt die Ergebnisse des Optimierungsschemas in Form des stromweisen Permeabilitätsfeldes nach 176 Iterationen. Um zu dieser Entscheidung zu gelangen, wurden mehrere Faktoren berücksichtigt. Nach 176 Iterationen zeigte die strömungsmäßige Komponente der Geschwindigkeitsverteilung eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Prädikatgerät hinsichtlich der Homogenität der Strömungsgeschwindigkeiten (in Abb. 4 als Boxplot bei 1 l/min sichtbar). Darüber hinaus hatte sich der Volumenanteil des Moduls mit Strömungsgeschwindigkeiten von weniger als 3 mm/s eingependelt, was darauf hindeutet, dass es an möglichen weiteren Verbesserungen mangelt. Abgesehen von zwei kleinen Bereichen mit hoher Permeabilität, die direkt an der Eintrittsstelle in das Membranmodul angrenzten, wies das gesamte Modul mit zunehmender Entfernung vom Einlass einen Gradienten von niedriger zu hoher Permeabilität auf (Abb. 3a). Die in ein Membranmodul übersetzten Permeabilitätsdaten sind in Abb. 3b dargestellt. Der endgültige Prototyp ist in Abb. 3c dargestellt.

Konkretisierungsschritte des TPMS-basierten Membranmoduls mit lokal veränderten Permeabilitäten. (a) Simuliertes Permeabilitätsfeld, (b) STL-Prototyp nach Übersetzung der Permeabilität in Schwarz-P (SWP) TPMS-Elemente einschließlich des zusätzlichen Rahmens, (c) 3D-gedrucktes Membranmodul. Die Flussrichtung ist in allen Bildern in positiver y-Richtung.

Box- und Whisker-Diagramme der Strömungsgeschwindigkeiten in Strömungsrichtung in den Membranmodulen der Prädikat- und Prototypgeräte. Mittellinien zeigen den Medianwert, Kästchen decken das 25. bis 75. Perzentil ab und Whiskers zeigen Minimum und Maximum. Die Werte über den Diagrammen des Prädikats und des endgültigen Prototyps geben den Geschwindigkeitsbereich zwischen dem oberen und unteren Whisker an.

Abbildung 4 vergleicht die Strömungsgeschwindigkeitskomponenten des Flusses durch die Membranmodule bei jeder simulierten Flussrate. Die mittleren Linien jedes Kästchens stellen die mittlere Geschwindigkeit dar, die Kästchen erstrecken sich bis zum 25. und 75. Perzentil und die äußersten Linien stellen den Bereich der extremsten Datenpunkte dar. Bei einer Durchflussrate von 1 l/min, dem Entwurfspunkt für die iterative Optimierung, konnte der Bereich für den Prototyp erfolgreich auf 0,47 mm/s im Vergleich zu 1,48 mm/s eingegrenzt werden. Über den gesamten Durchflussbereich variierte der Bereich zwischen maximalen und minimalen Geschwindigkeiten im Prädikatmodul zwischen 0,63 mm/s für die niedrigste Durchflussrate und 4,52 mm/s für die zweithöchste Durchflussrate. Im simulierten Prototypmodul betrug dieser Bereich 0,13 mm/s für die niedrigste Durchflussrate und 4,86 ​​mm/s für die höchste Durchflussrate. Wie im Prädikatmodul vergrößerte sich der Bereich zwischen maximalen und minimalen Geschwindigkeiten im Prototyp mit zunehmender Durchflussrate bis auf die höchste Durchflussrate durchgehend. Bei der höchsten Durchflussrate ist eine Abnahme zu beobachten. Der Bereich der Flussgeschwindigkeiten war im endgültigen Prototypgerät bei allen Flussraten unter 4000 ml/min enger als im Vergleichsgerät. Bei 4000 ml/min zeigten die beiden Geräte die gleiche Leistung, und bei 4500 ml/min erzeugte das Vergleichsgerät einen etwas engeren Bereich der Flussgeschwindigkeiten. Außerdem waren die mittleren Geschwindigkeiten im Prototyp durchweg höher als die des Prädikats, da die Volumenporosität des Prototyps (0,5) etwas höher war als die Porosität des Prädikats (0,493).

Während diese Geschwindigkeiten in Simulationen direkt quantifiziert werden können, war es unter realen Bedingungen nicht möglich, die Strömung innerhalb des Faserbündels zu beobachten. Stattdessen wurde die Verweilzeit der Flüssigkeit im Gerät als Analogie zur Strömungsgeschwindigkeit gemessen. Abbildung 5 zeigt (a) die simulierten und (b) experimentellen minimalen, mittleren und maximalen Verweilzeiten der Prädikat- und Prototypgeräte bei jeder Durchflussrate. Sowohl in der Prädikats- als auch in der Prototypensimulation nahm der Bereich zwischen minimaler und maximaler Verweilzeit mit zunehmender Durchflussrate kontinuierlich ab. Allerdings waren diese Bereiche beim Prototypengerät durchweg kleiner. Während der Mittelwert des Prototyps bei jeder Durchflussrate etwas höher ist, ist der Bereich zwischen Minimal- und Maximalwert über den gesamten getesteten Bereich enger.

Verweilzeiten dargestellt als Mittelwert mit minimaler und maximaler Spanne: (a) durch Simulation berechnet und (b) im Experiment gemessen.

Die experimentellen mittleren Verweilzeiten für den Prototyp sind dagegen alle niedriger als für das Prädikat. Der Bereich der Aufenthaltszeiten des Prototyps ist ebenfalls enger als der des Prädikats. Die Dauer zwischen der minimalen und maximalen Verweilzeit für das Prädikatgerät reichte von 15,59 s bei der niedrigsten Flussrate bis 2,3 s bei der höchsten Flussrate, und die Zeitspannen nahmen mit zunehmender Flussrate kontinuierlich ab. Für das Prototypgerät reichten die Dauern von 8,35 bis 1,64 s, hier wurde jedoch kein konsistenter Rückgang im Verhältnis zur zunehmenden Flussrate beobachtet. Die längste Dauer trat bei einer Flussrate von 1 l/min auf, die kürzeste Dauer wurde bei 4 l/min beobachtet. Während die minimalen und mittleren Verweilzeiten für den Prototyp mit zunehmender Durchflussrate stetig abnahmen, war die maximale Verweilzeit etwas unregelmäßiger.

Diese Studie schlägt einen praktischen Ansatz vor, der auf der einzigartigen Eigenschaft eines TPMS-basierten Membrannetzwerks mit elementweiser Modifikation der lokalen Permeabilität basiert, um eine globale homogene Strömungsverteilung in einer Membranlunge zu erreichen. Insgesamt spricht die simulationsbasierte Leistung des endgültigen Prototypgeräts für die Gültigkeit des Optimierungsschemas. Abbildung 4 zeigt, dass die Durchführung des Optimierungsschemas an einem Entwurfspunkt (1 l/min) zu einem Modul führte, das an mehreren anderen Entwurfspunkten eine bessere Leistung als das Prädikat erbrachte. Ein Modul, das für eine bestimmte Durchflussrate modifiziert wurde, verringerte seine Wirksamkeit für eine andere nicht. Allerdings lässt sich in den Simulationsergebnissen auch erkennen, dass die relative Verbesserung im Vergleich zum Prädikatgerät mit zunehmender Durchflussrate abnimmt, bis zu dem Punkt, an dem das Prädikatgerät den endgültigen Prototyp bei der höchsten Durchflussrate geringfügig übertrifft. Daher könnte vermutet werden, dass das hier angewandte Optimierungsschema nicht unabhängig von der Durchflussrate ist.

Das TPMS-basierte Membranmodul mit lokal veränderten Permeabilitäten erreichte einen engeren Bereich minimaler und maximaler Strömungsgeschwindigkeiten im Membranmodul. Dies bedeutet, dass durch die Nivellierung dieser Geschwindigkeiten die Strömung in Stagnationszonen erhöht und die Strömung in Hochflussregimen verringert wurde. Eine verbesserte Flusshomogenität wird in der Literatur ausführlich diskutiert und verspricht, zwei typische Probleme der ECMO-Therapie zu überwinden: ineffizienten Gasaustausch und Membranthrombose. Daher lag der Schwerpunkt dieser Studie auf der Erforschung einer systematischen Strategie für ein Design, das diese Anforderungen erfüllt. Allerdings muss die Gültigkeit dieser Versprechen im Hinblick auf das Thromboserisiko und den Gasaustausch noch experimentell nachgewiesen werden. Für eine Untersuchung der Wirksamkeit der Strömungshomogenisierung auf den Gastransfer muss ein auf diesem Design basierendes Modul entwickelt werden, das zum Gasaustausch fähig ist. Darüber hinaus erfordert die Untersuchung der Wirksamkeit der Flusshomogenisierung auf das Thromboserisiko ein Prototypmodul, das gemäß den für das Prädikat verwendeten Industriestandards entwickelt wurde. Unterschiede in der Materialauswahl, Sterilisation und Herstellungsverfahren können das Thromboserisiko beeinflussen. Der aktuelle Goldstandard für die Beurteilung des Thromboserisikos in der Membranlunge sind Tierversuche, da zuverlässige In-vitro-Testmethoden fehlen. Allerdings sind Tierversuche per se sehr aufwändig und müssen aufgrund der potenziell hohen biologischen Varianz und der großen Bandbreite möglicher Einflüsse mehrfach durchgeführt werden, um eine verlässliche Aussage zu ermöglichen.

In den Simulationsergebnissen zeigte das Prototypgerät durchweg einen geringeren Druckverlust im Vergleich zum Vergleichsgerät (Prädikat: 0,9 mmHg bei 500 ml/min bis 17,6 mmHg bei 4500 ml/min; Prototyp: 0,76 mmHg bei 500 ml/min bis 13,62 mmHg). bei 4500 ml/min). Dies ist auf die Entfernung der Verteilerplatten und die allgemeine Erhöhung der Durchlässigkeit im endgültigen Prototyp zurückzuführen. Die mittlere Strömungsdurchlässigkeit des endgültigen Prototypgeräts betrug 2,41e−9 m2, verglichen mit 10,88e−10 m2 für das Vergleichsgerät. Diese Ergebnisse spiegelten sich jedoch nicht in den Tischexperimenten wider. Dort zeigte das Prädikatsgerät bei allen Flussraten noch einen etwas geringeren Druckverlust (Prädikat: 1 mmHg bei 500 mL/min bis 21 mmHg bei 4500 mL/min; Prototyp: 3 mmHg bei 500 mL/min bis 31 mmHg bei 4500 ml/min). Dies liegt möglicherweise an der Qualität des 3D-Drucks. Aufgrund der begrenzten Auflösung der verwendeten Maschine war jedes einzelne Element etwas größer als im CAD-Modell vorgeschrieben. Diese globale Vergrößerung würde zu einem höheren Strömungswiderstand im gesamten Bündel führen und damit den Druckverlust erhöhen.

In den Simulationsergebnissen führte der endgültige Prototyp im Vergleich zum Vergleichsgerät auch zu einem engeren Verweilzeitband für alle Entwurfspunkte. Experimentelle Ergebnisse bestätigten die Verbesserung der Verweilzeiten im Prototypgerät bei allen Durchflussraten. Obwohl die Simulationsergebnisse qualitativ die in der Realität beobachteten Trends widerspiegeln, überschätzen sie jedoch die absoluten Werte aller Verweilzeiten und unterschätzen den Bereich der Verweilzeiten. Dies könnte auf Entscheidungen hinsichtlich der Schwellenwerte zur Bestimmung realer Verweilzeiten zurückzuführen sein (z. B. die Wahl von 95 % statt 99 % für den Schwellenwert der maximalen Verweilzeit), höchstwahrscheinlich ist es jedoch auf die Vereinfachung der Membrandomäne im CFD zurückzuführen Simulationen. Während außerdem die mittleren Verweilzeiten des Prädikatgeräts etwa in der Mitte zwischen den Minimal- und Maximalwerten liegen, sind die mittleren Verweilzeiten des Prototyps nahezu identisch mit dem Minimum. Dies kann auf verschiedene Faktoren zurückzuführen sein. Erstens könnte es einfach sein, dass ein zu großer Teil des Flusses durch das Prototypgerät geleitet wurde, was bedeutet, dass der größte einzelne Tintenbolus, der am zweiten Farbsensor vorbeiläuft, auch der erste ist. Andererseits könnte dies auch durch die oben genannten Ungenauigkeiten beim 3D-Druck verursacht werden.

Die beobachteten Verbesserungen wurden ohne zusätzliche Strömungsleitstrukturen erreicht. Durch die Änderung lediglich der Gasaustauschmembran im Gerät könnte nicht nur die Strömungsverteilung im Vergleich zu modernen Geräten verbessert werden, sondern auch die Hämokompatibilität des Geräts insgesamt deutlich verbessert werden, indem die den Blutzellen ausgesetzten Fremdoberflächen reduziert werden. Die beiden Verteilerplatten repräsentieren eine Gesamtfläche von ca. 17.000 mm2 in einem Gerät, dessen Nicht-Membran-Oberfläche ca. beträgt. 20.000 mm2 (ohne Berücksichtigung der zum Gerät führenden Rohre und der Oberfläche des Vergussmaterials). Auch die Bereiche direkt hinter den Diffusorplatten sind Hauptbereiche für die Strömungsrezirkulation und Thrombusbildung. Das Entfernen der Platten bedeutet eine 85-prozentige Verringerung der fremden Nichtmembranoberfläche und war daher ein Designziel für den Prototyp des Geräts. Trotz Verbesserungen bei den Oberflächenbeschichtungen, die in extrakorporalen Kreisläufen verwendet werden39, wird die Reduzierung der Fremdkörperbelastung ein klares Designziel für extrakorporale Geräte bleiben. Neuartige Ansätze wie die hier vorgestellten stellen eine vielversprechende Methode dar, eine funktionskritische Komponente (die Austauschmembran) zur Erfüllung zusätzlicher Nebenfunktionen zu nutzen und so die Anzahl der Komponenten zu reduzieren.

Bei der Integration von RDKS-Geometrien als Membranelemente sollte auf die erforderliche Größe der einzelnen Elemente geachtet werden, um einen entsprechenden Stoffaustausch zu erreichen. Während der hier vorgestellte Prototyp nur aus dem späteren Blutkanal bestand, ist es wichtig, die Gesamtoberfläche des Geräts für zukünftige Membranen zu berücksichtigen. Bei der gegebenen Größe der SWP-Elemente und den Außenabmessungen, die denen des iLA entsprechen, verfügte der Prototyp über eine mögliche Austauschfläche von ca. 0,52 m2 im Vergleich zu 1,3 m2 beim iLA. Eine Strategie zur Vergrößerung der volumenspezifischen Oberfläche des Prototyps wäre der Einsatz kleinerer RDKS-Elemente, hier stößt man jedoch schnell auf technische Einschränkungen hinsichtlich der Herstellbarkeit. Um beispielsweise die gleiche volumenspezifische Oberfläche einer 380 µm Hohlfaser zu erreichen, müsste der Begrenzungsrahmen eines einzelnen TPMS-Elements in jeder Dimension weniger als 0,6 mm betragen. Während mit bestimmten fortschrittlichen additiven Fertigungstechniken sicherlich so kleine Geometrien erzeugt werden können, liegt die Fähigkeit, so feine Strukturen bei so großen Bauvolumina, die für einen gesamten Prototyp erforderlich sind, präzise herzustellen, deutlich außerhalb der Möglichkeiten moderner Technologien20. In diesem Zusammenhang müssen additive Fertigungstechniken weiterentwickelt werden, um die Herstellung des in dieser Studie vorgeschlagenen Designs als funktionalen Gasaustauscher einschließlich eines Gasraums unter Verwendung hämokompatibler Materialien zu ermöglichen.

Es ist wichtig zu beachten, dass sich die Arbeit hier nur auf ein TPMS bezieht, die Schwarz-P-Oberfläche. Bei Voruntersuchungen wurde festgestellt, dass die Permeabilitäten von Schwarz-D und Schoen-G nicht weit genug variiert werden konnten, um weitere Tests mit der hier vorgestellten Methode zu rechtfertigen. Zur Verdeutlichung: Das Verhältnis der Durchlässigkeit in Strömungsrichtung zwischen den am stärksten verschlossenen und am stärksten durchlässigen Varianten von Schwarz-P-Oberflächen innerhalb einer bestimmten Elementgröße betrug ungefähr 100, während dieses Verhältnis für Schwarz-D- und Schoen-G-Oberflächen ungefähr 5 bzw. 2 betrug . Es gibt jedoch Strategien zur Hybridisierung dieser verschiedenen TPMS, falls dies für die Gasübertragungsleistung von Vorteil sein könnte32.

Die Methode wird hier als „permeabilitätsbasierter Ansatz“ beschrieben, da die Permeabilität von Elementen geändert wurde, ohne die Gesamtporosität eines Elements zu beeinflussen. Dies stellt einige neuartige und möglicherweise vorteilhafte Unterschiede dar, wenn man sie mit Gerüsten mit abgestufter Porosität vergleicht, bei denen der konstante Niveauversatz der impliziten Gleichung manipuliert wird. Bei diesen Methoden kann auch die Durchlässigkeit der resultierenden Methoden manipuliert werden, aber die Durchlässigkeit des Elements in Strömungsrichtung und in Querrichtung bleibt gleich. Wenn jedoch die Elemente direkt zwischen dem Einlass und dem Auslass der Geräte gleiche Durchlässigkeiten in Quer- und Strömungsrichtung hätten, könnte die seitliche Bewegung durch die Module erheblich behindert werden, was die Fähigkeit des Geräts beeinträchtigen könnte, die äußeren Teile des Moduls auszuwaschen. Tatsächlich bedeutet die Beibehaltung des Gesamtvolumens des Elements, dass jede Verringerung der Durchlässigkeit in Strömungsrichtung zu einer Erhöhung der Durchlässigkeit in Querrichtung führen muss.

Hier haben wir die Hypothese bewiesen, dass eine lokale Änderung der Permeabilität den Fluss auf Mikroebene in Richtung einer vollständig homogenen globalen Flussverteilung lenken könnte. Dies wurde durch den Umbau einer modernen Membranlunge mit (aus strömungsmechanischer Sicht) nachteiligen Ein- und Auslasspositionen erreicht. Ein Ziel zukünftiger Studien sollte es sein, zu untersuchen, inwieweit ein Strömungsweg durch mikroskopische lokale Variationen beeinflusst oder sogar umgelenkt werden kann. Dies würde die Gestaltung von Strömungswegen durch ein TPMS-basiertes Membranmodul ohne Einschränkungen aufgrund der Einlass- und Auslassposition ermöglichen. Darüber hinaus sind Methoden zur Definition neuartiger TPMS Gegenstand laufender Forschung. Implizite Oberflächenmodellierungsmethoden ermöglichten die Erstellung von Minimaloberflächen, die nicht im kartesischen Koordinatensystem, sondern in einem tetraedrischen Koordinatensystem periodisch waren, und haben sich bei der Replikation komplexer Strukturen als zuverlässiger erwiesen, ohne dass komplexe Kartierungstechniken erforderlich waren40. Solche Oberflächen könnten Vorteile bei der Gestaltung von Modulen bieten, die nicht den sehr regelmäßigen Geometrien entsprechen, wie sie in modernen Oxygenatoren verwendet werden, und möglicherweise sogar die Konturen natürlicher Organe berücksichtigen41. Die Unabhängigkeit von Einlass- und Auslasspositionen und die Möglichkeit, organförmige Hohlräume effizient mit TPMS-Strukturen zu füllen, würden enorme Fortschritte in Richtung einer implantierbaren künstlichen Lunge darstellen41,42,43.

Trotz der erfolgreichen Etablierung und Anwendung eines praktischen Ansatzes zur Verbesserung der Strömungsverteilung in einer Membranlunge weist diese Studie mehrere Einschränkungen auf. Im gesamten Arbeitsablauf vom Rechenmodell bis zum realen Modul gibt es mehrere „Übersetzungsprozesse“, die kumulativ für die Abweichung der In-vitro-Ergebnisse von den Simulationsergebnissen verantwortlich sein können. Zunächst einmal sollte nicht davon ausgegangen werden, dass die Simulationsergebnisse selbst völlig korrekt waren. Die Natur der Modellierung poröser Domänen und die Verwendung benutzerdefinierter Überwachungspunkte für Simulationsreste lassen gewisse Zweifel an der Genauigkeit der Ergebnisse aufkommen. Zweitens führt die Übersetzung der relativ kontinuierlichen 3D-Permeabilitätsdaten in eine Sammlung diskreter TPMS-Modulelemente zu einem gewissen Grad an Downsampling und Interpolation der Permeabilität. Auch wenn die Permeabilitäten innerhalb eines 3 mm × 3 mm × 3 mm großen Bereichs voneinander abweichen können, wurde der Mittelwert berechnet und einem einzelnen Element zugeordnet, das dann die Permeabilität im gesamten Block definierte. Drittens stellen die Verbindungen zwischen einzelnen TPMS-Elementen Bereiche dar, in denen die Durchlässigkeit nicht durch Simulation validiert wurde. Auch wenn der Unterschied in der Durchlässigkeit zwischen benachbarten Elementen oft winzig war, könnten die Übergänge zwischen Elementen unterschiedlicher Größe tatsächlich zu unerwarteten Strömungsmustern durch das Modul geführt haben, die sich auf die Gesamtleistung des Geräts ausgewirkt haben. Schließlich und vielleicht am kritischsten ist, dass die resultierende Form der einzelnen Elemente natürlich immer von der Auflösung des 3D-Druckprozesses abhängt.

Insgesamt war das hier vorgestellte simulationsbasierte Optimierungsschema effektiv bei der Erstellung eines Designs, das in Tischexperimenten gut funktionierte. TPMS-Elemente unterschiedlicher Form und Größe konnten problemlos kombiniert werden, um ein Prototypmodul zu konstruieren, das unterschiedliche Durchlässigkeiten in Strömungs- und Querrichtung aufwies. Es wurde ein unkomplizierter Arbeitsablauf entwickelt, mit dem variable Permeabilitätsverteilungen in einem Simulationsbereich erstellt und automatisch für ein Gerätedesign aktualisiert werden konnten. Die Ergebnisse dieses Workflows wurden mithilfe selbst entwickelter Skripte präzise in prototypische CAD-Modelle übersetzt. Während weitere Fortschritte in den Fertigungstechnologien notwendig sind, um simulationsbasierte Designs effektiv in genaue reale Geräte umzusetzen, schnitt der Prototyp hier im Vergleich zu einem branchenüblichen Prädikat gut ab. Basierend auf den vorgestellten Messwerten zeigte unser Prototyp eine verbesserte Strömungsverteilung im gesamten Membranmodul. Diese Arbeit stützt die Annahme, dass TPMS ein vielversprechendes Werkzeug für Fortschritte in der Membrantechnologie sind, und zukünftige Arbeiten werden zeigen, inwieweit ihre Integration zu einem sichereren und effizienteren Stofftransfer in medizinischen Geräten führen kann.

Alle Simulationen wurden mit Ansys CFX 19.0 (Ansys, Inc, Canonsburg, PA, USA) durchgeführt. Simulationsdomänen wurden mit Ansys SpaceClaim aus CAD-Modellen isoliert und alle Rechennetze wurden mit Ansys Meshing erstellt.

Durch die Verformung einzelner TPMS-Elemente konnte die lokale Permeabilität im Membranmodul gesteuert werden. In dieser Studie wurde die Schwarz-P-Form (SWP) verwendet. Der Oberflächen-FSWP eines einzelnen SWP-Elements wird durch die folgende implizite Gleichung beschrieben:

Unter normalen Bedingungen sind die Koeffizienten jedes Kosinusterms der impliziten SWP-Funktion gleich 1. Durch Erhöhen des Koeffizienten vor einem Kosinusterm für eine bestimmte Achse verringert sich die kleinste Querschnittsfläche für Flüssigkeit, die entlang derselben Achse um das Element fließt . Das Gesamtvolumen innerhalb der von der Oberfläche umschlossenen Elementarzelle bleibt jedoch gleich, daher bleibt die Volumenporosität des Elements gleich.

Das SWP-Element wurde simuliert, um die Darcy-Permeabilität für mehrere Geometrien zu bestimmen. Die Simulation wurde eingerichtet, um das in Schlanstein et al.36 beschriebene experimentelle Verfahren zu reproduzieren. Geringe Strömungen wurden über theoretische Module verteilt, die durch translatorisch periodische Randbedingungen erzeugt wurden, und der Druckverlust wurde über die Dicke einer Schicht des Moduls berechnet. In der anschließenden Nachbearbeitung wurden die Durchlässigkeiten in Strömungsrichtung und in Querrichtung für die Standard- sowie die „am durchlässigsten“ (c = 0,1) und „am stärksten verschlossenen“ (c = 1,9) SWP-Geometrien berechnet, dargestellt in Abb. 6. Der Grad Die Okklusion (oder umgekehrt der verfügbare Querschnitt) zur Strömung bestimmte die Durchlässigkeit des Elements. Beispielsweise steht für die SWP-Geometrie mit der höchsten Durchlässigkeit in Strömungsrichtung eine größere Strömungsquerschnittsfläche zur Verfügung, verbunden mit geringeren Druckverlusten als bei der am stärksten verschlossenen Konfiguration in Strömungsrichtung.

Simulierte SWP-Permeabilitätsdaten: (a) Streamwise-Permeabilität in Abhängigkeit vom Kosinus. Gestrichelte Linien zeigen quadratische Korrelationskurven zwischen dem Wert des Koeffizienten „c“ des impliziten Funktionsterms und der daraus resultierenden Permeabilität. Die Bilder neben der Grafik geben einen Eindruck von den unverformten (c = 1,0) und deformierten SWP-Elementen. Stromlinien geben die Strömungsrichtung stromabwärts an. (b) Zusammenhang zwischen strömungsmäßiger und transversaler Durchlässigkeit. Gestrichelte Linien zeigen lineare Korrelationskurven. Die Bilder neben der Grafik geben einen Eindruck von den unverformten (c = 1,0) und deformierten SWP-Elementen. Stromlinien geben die Querströmungsrichtung an.

Um einen weiten Bereich der zulässigen Durchlässigkeit zu erreichen, wurde für das Bündel eine Kombination aus 1 mm und 3 mm SWP-Elementen konzipiert. Abbildung 6a zeigt den Bereich der Durchlässigkeiten in Strömungsrichtung, der mit beiden Elementgrößen für die verschiedenen Verformungszustände erreichbar war. Der Zusammenhang zwischen der Durchlässigkeit in Strömungsrichtung und in Querrichtung von 1-mm- und 3-mm-Elementen ist in Abb. 6b zu sehen. Im Optimierungsschema wurde die lineare Regression verwendet. Da die Entwurfsabsicht darin bestand, möglichst viele 1-mm-Elemente im Modul zu ermöglichen, wurde der Schwellenwert für die Entscheidung, 3-mm-Elemente anstelle von 1-mm-Elementen zu verwenden, auf die Obergrenze des Strömungsdurchlässigkeitsbereichs der 1-mm-Elemente festgelegt ( 8,68e−9 m2).

Um eine vergleichende Basislinie zu erstellen, wurde eine Geometrie simuliert, die der des Novalung Interventional Lung Assist (iLA) entspricht. Die Simulationsgeometrie wurde in Creo Parametric 4.0 (PTC, Boston, MA, USA) erstellt. Alle Maße für die Geometrie wurden an einem zerlegten iLA-Gerät gemessen (Abb. 1b). Das Faserbündel wurde als poröse Domäne mit einer konstanten Porosität von 0,493 und einer anisotropen Permeabilität modelliert. Die Durchlässigkeit in Flussrichtung wurde auf 10,88e−10 m2 und die Durchlässigkeit in Querrichtung auf 7,71e−10 m2 eingestellt, in Übereinstimmung mit zuvor gemeldeten Daten für Durchlässigkeiten von gestapelten Fasermatten36.

Der Rechenbereich des TPMS-basierten Prototypgeräts war mit dem des Vergleichsgeräts identisch, mit Ausnahme der Entfernung der Verteilerplatten und der Verbreiterung des Membranmoduls, um den resultierenden leeren Raum zu besetzen. Durch das Entfernen der Verteilerplatten konnte außerdem eine symmetrische Randbedingung entlang der Diagonalebene von unten nach oben des Prototypgeräts angenommen werden, was den Rechenaufwand reduzierte. Blut wurde als Newtonsche Flüssigkeit mit einer Dichte von 1059 kg/m3 und einer dynamischen Viskosität von 3,6 mPas modelliert. Es wurden Flussraten von 0,5, 1, 2, 3, 4 und 4,5 l/min getestet, was dem Flussratenbereich entspricht, für den der iLA klinisch zugelassen ist.

Angesichts der Bandbreite der erreichbaren Permeabilitäten bestand das Ziel des iterativen Optimierungsschemas dann darin, zu bestimmen, wie diese Permeabilitäten in der porösen Domäne verteilt werden sollten, um den Blutfluss zufriedenstellend im gesamten Modul zu verteilen und so ein optimiertes Strömungsfeld zu schaffen. Unter einem optimierten Strömungsfeld wurde in diesem Zusammenhang ein Strömungsfeld mit homogenen Strömungsgeschwindigkeiten verstanden. In der Praxis verringert der Optimierungsalgorithmus zwischen zwei Iterationen die Permeabilität an jedem Punkt im Faserbündel, an dem die Geschwindigkeit zu hoch ist, und erhöht die Permeabilität an jedem Punkt, an dem die Geschwindigkeit zu niedrig ist. Dieser iterative Prozess wurde gestoppt, sobald die Differenz zwischen der variablen Geschwindigkeit vy und der idealen Geschwindigkeit videal akzeptabel klein war oder die Änderung der Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Iterationen stagnierte. Dies bedeutete, dass der Simulationsablauf (a) den Wert der Strömungs- und Querpermeabilität über den porösen Bereich gemäß den aus der vorherigen Iteration bereitgestellten Daten vorgeben und (b) den gewünschten Wert der Strömungspermeabilität basierend auf der Abweichung vom tatsächlichen Wert berechnen musste Durchfluss auf den gewünschten Durchfluss einstellen und (c) wiederholen, wobei die aktualisierten Permeabilitätswerte als bereitgestellte Daten in Schritt (a) verwendet werden.

Nachdem eine Simulationslösung für die gegebene Iteration gefunden wurde, wurde eine Korrekturfunktion definiert, die den neuen punktuellen Permeabilitätswert bestimmt, der für die folgende Iteration verwendet werden soll. Die Korrekturfunktion hatte die Form einer hyperbolischen Tangensfunktion:

Dabei ist Knew die Durchlässigkeit in Strömungsrichtung für die nächste Iteration, Kold die der aktuellen Iteration, videal die ideale Strömungsgeschwindigkeit in Strömungsrichtung, vy die Strömungsgeschwindigkeit in Strömungsrichtung in der aktuellen Iteration und p eine Konstante, die zum Anpassen der Rate von verwendet wird Änderung zwischen Iterationen. Für alle Iterationen des Optimierungsprozesses wurde eine Durchflussrate von 1 l/min verwendet. Das Membranmodul des Prototypgeräts hatte wie das des iLA eine Grundfläche von 100 mm × 100 mm. Unter Berücksichtigung der Volumenporosität der SWP-Elemente (0,5) ergab sich ein Flächendurchschnittsgeschwindigkeitsvideal von 3,33 mm/s. Ursprünglich auf 150 eingestellt, wurde diese p-Konstante im Verlauf des iterativen Prozesses langsam auf 1 verringert, um einen schnellen Fortschritt in Richtung des idealen Ergebnisses mit höherer Präzision auszugleichen, sobald sich die gegebene Lösung dem Ideal näherte.

Im Allgemeinen ist es hilfreich, a priori sinnvolle Anfangsbedingungen für die Permeabilitätsverteilung festzulegen, um die Konvergenz zu verbessern. Hier wurde eine 3D-Permeabilitätsmatrix verwendet, um die strömungsmäßige Permeabilität Kinit an jedem Punkt im Rechennetz basierend auf der folgenden Gleichung zu definieren:

Dabei ist rcorner (m) der Abstand von der unteren Ecke. Die abhängige Querpermeabilität wurde dann aus der Strömungspermeabilität definiert (siehe Abb. 6b).

Nach Durchführung des Optimierungsprozesses wurde eine 3D-Matrix punktueller Permeabilitätswerte mit der räumlichen Auflösung des Rechennetzes erhalten. Diese simulierten Permeabilitäten wurden in Matlab (Version 2019a, MathWorks, Natick, MA, USA) interpoliert, sodass ein Permeabilitätswert für einen Wert an jedem Punkt innerhalb des räumlichen Bereichs erhalten werden konnte, nicht nur für die Punkte im Rechennetz. Iterativ wurde ein 3 mm × 3 mm × 3 mm großer Bereich abgefragt. Wenn der Mittelwert der Permeabilitäten innerhalb dieser Region über der Schwellenpermeabilität zwischen 1- und 3-mm-Elementen (8,68e − 9 m2) lag, wurde die quadratische Regressionsgleichung für die Permeabilitäten von 3-mm-Elementen verwendet, um den Koeffizienten für den Kosinusterm zu bestimmen in der SWP wurde die implizite Gleichung verwendet, um diese Permeabilität zu erzeugen. Alternativ wurde, wenn die mittlere Permeabilität unter den Schwellenwert fiel, ein kubisches Gitter aus neun 1-mm-Elementen erstellt und stattdessen die Regressionsgleichung für 1-mm-Elemente verwendet. Für jedes Element wurde ein STL-Netz erstellt (Abb. 7a, e) unter Verwendung seines berechneten Kosinuskoeffizienten (Abb. 7b, f). SWP-Elemente mit unterschiedlichen Koeffizientenwerten oder -größen würden an ihrer Schnittstelle nicht zusammenpassen. Daher wurde innerhalb des ersten und letzten Achtel der Elementlänge in jede Richtung ein Übergang definiert, der den Kosinuskoeffizienten und die Größe des aktuellen Elements an die des benachbarten Elements anpasste (Abb. 7c,g). Wenn ein Element in einer bestimmten Richtung nicht mit einem anderen Element verbunden war, wurde die SWP-Oberfläche so bearbeitet, dass sie eine Fläche einschloss, die das Element in dieser Richtung abdichtet (Abb. 7d, h). Die SWP-Oberflächennetze wurden dann als STL-Dateien exportiert. Dies wurde für jedes Element wiederholt, aus dem das Membranmodul bestehen würde.

Schrittweise Erstellung und Bearbeitung eines einzelnen SWP-Elements. Dargestellt sind zwei Szenarien: (a–d) zeigen ein SWP-Element mit einer benachbarten Elementarzelle gleicher Größe und (e–h) zeigen ein SWP-Element mit einer benachbarten Elementarzelle unterschiedlicher Größe. Für beide Szenarien werden die folgenden Schritte dargestellt: (a, e) anfängliche Erstellung eines undeformierten SWP-Elements (b, f) Verzerrung des SWP-Elements (c, g) schrittweise Anpassung der Verbindungsschnittstellen jedes SWP-Elements, um sie an die Nachbarkoeffizienten anzupassen (ggf. erweitern, um größere Nachbarn anzupassen) (d, h) Füllen des Schnittstellenlochs, wenn kein Nachbar vorhanden ist.

Neben den einzelnen STL-Dateien wurden die x-, y- und z-Koordinaten sowie die Größe jedes Elements aufgezeichnet. Diese Informationen wurden dann verwendet, um die STL-Dateien in ein 3-matic-Projekt (Materialise NV, Leuven, Belgien) zu importieren. Nach der Übersetzung und Skalierung jeder STL-Datei wurden die einzelnen Elemente zum vollständigen Membranmodul zusammengeführt. Aufgrund von Einschränkungen hinsichtlich der Dateigröße der resultierenden Daten wurden die adaptiven Neuvernetzungsfunktionen von 3-matic verwendet, um die Netzkomplexität vor dem Export der fertigen STL-Datei zu reduzieren.

Nachdem die Vorbereitung der CAD-Dateien abgeschlossen war, konnte mit der Herstellung der einzelnen Komponenten und dem Zusammenbau des Prototypgeräts für Machbarkeits- und Validierungszwecke begonnen werden. Um die hohen räumlichen Auflösungen zu erreichen, die zur Modellierung der SWP-Elemente erforderlich sind, wurde zur Herstellung der Membranmodule eine auf Stereolithographie basierende 3D-Drucktechnik eingesetzt (Materialise GmbH, Leuven, Belgien). Nach Abschluss des Druckvorgangs wurde das restliche Harz durch eine Kombination aus Druckluft, kurzem Einweichen in einer 50 %igen Isopropanol/Wasser-Lösung und Zentrifugation von der Struktur abgewaschen. Die Strömungsvorkammern auf beiden Seiten des Membranmoduls wurden mithilfe einer Material-Jetting-3D-Drucktechnik (Objet 350 Connex3, Stratasys Ltd., Eden Prairie, USA) und VeroClear-Material hergestellt.

Abgesehen von der Entfernung der Diffusorplatten und der daraus resultierenden Verdickung des Membranmoduls auf 24 mm, um den Leerraum auszugleichen, blieb der Prototyp mit dem Prädikat identisch.

Um die Simulationsergebnisse zu validieren und einen realen Vergleich zwischen den Prädikat- und Prototypgeräten zu ermöglichen, wurde eine Reihe von Auswaschtests durchgeführt. Für die Tests wurden die Vergleichs- und Prototypengeräte mit den gleichen Durchflussraten gemessen, die simuliert wurden. Ein Strömungskreislauf wurde entwickelt, um die Verweilzeiten der Flüssigkeit in jedem Gerät bei unterschiedlichen Durchflussraten zu bestimmen (Abb. 8). Der Hauptkreislauf besteht aus einem Glycerinreservoir mit einer transparenten Wasser-Glycerin-Mischung, einer Pumpe (deltastream DP 2, Xenios AG, Heilbronn, Deutschland) und dem Testmodul. Ein zusätzlicher Seitenarm, der an diesen Kreislauf vor dem Testmodul angeschlossen ist und einen Behälter mit Farbstofflösung (Wasser-Glycerin-Lösung mit den gleichen viskosen Eigenschaften wie die zirkulierende Flüssigkeit) und den gleichen Pumpentyp enthält, der am gleichen Betriebspunkt läuft. Hinter dem Testmodul führt ein weiterer Seitenarm zu einem Abfallbehälter, der auf dem gleichen hydrostatischen Niveau eingestellt ist wie der Behälter mit der Glycerinlösung. Eine Reihe magnetischer Rohrklemmen (Fluid Concept GmbH, Stutensee, Deutschland) wurde an jedem Rohrzweig angebracht, wie in Abb. 8 dargestellt. Zunächst zirkulierte die transparente Glycerinlösung in einem geschlossenen Kreislauf (Zustand der magnetischen Rohrklemmen während der Zirkulationsphase). ': 1 = geschlossen, 2 = offen, 3 = offen und 4 = geschlossen). Die Magnetrohrklemmen wurden ferngesteuert, so dass für eine vorgegebene Zeitspanne Tinte eingespritzt werden konnte (Zustand der Magnetrohrklemmen während der „Einspritzphase“: 1 = offen, 2 = geschlossen, 3 = geschlossen und 4 = offen). Während der Messphase wurde die verunreinigte Flüssigkeit in den Abfallbehälter geleitet, um die verbleibende Flüssigkeit transparent zu halten (Zustand der Magnetrohrklemmen 1 = geschlossen, 2 = offen, 3 = geschlossen und 4 = offen). Nach dem Einspritzen der Tinte wurde der normale Fluss wieder aufgenommen. Photometrische Farbsensoren (TCS34725, Taos, Inc., Plano, TX, USA) wurden verwendet, um den Fluss des injizierten Tintenbolus in das Modul hinein und aus diesem heraus zu überwachen. Die photometrischen Sensorwerte wurden zur späteren Analyse kontinuierlich aufgezeichnet und die Durchflussrate wurde mit einer Ultraschall-Durchflusssonde (Transonic Systems Inc., Ithaca, NY, USA) überwacht. Sobald die gefärbte Flüssigkeit ohne Reste den Kreislauf verlassen hatte, wurden die magnetischen Rohrklemmen in die anfängliche Zirkulationsphase zurückgesetzt.

Schematische Darstellung der Auswaschtestschaltung.

Vor dem Test wurden die photometrischen Farbsensoren mit einer Reihe von Tinten-Wasser/Glycerin-Verdünnungen kalibriert, um eine Konzentrationskurve zu erhalten. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Durchflussrate während der Zeit, in der Tinte durch das Modul floss, konstant blieb, sodass die Massendurchflussrate der Tinte berechnet werden konnte. Daraus wurden Schwellenwerte für die minimale, mittlere und maximale Verweildauer definiert. Die minimale Verweilzeit wurde als die Zeit zwischen dem Passieren von 1 % der gesamten Farbstoffmasse durch jeden Sensor definiert, die mittlere Verweilzeit als die Zeit zwischen dem Durchgang der größten einzelnen Tintenmenge und die maximale Verweilzeit als die Zeit zwischen dem Passieren von 95 % hatte jeden Sensor passiert.

Die Vergleichs- und Prototypengeräte wurden mit den gleichen Durchflussraten gemessen, die simuliert wurden. Alle Tests wurden mit einem Wasser/Glycerin-Gemisch mit η = 3,78 ± 0,13 mPas durchgeführt (n = 5 Messungen bei 0,01–10 Pa, getestet mit dem Rheometer MCR502, Anton Paar GmbH, Graz, Österreich).

Dieser Artikel enthält keine von einem der Autoren durchgeführten Studien an Menschen oder Tieren.

Während der aktuellen Studie wurden keine Datensätze generiert oder analysiert.

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Die aktuelle Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG gefördert (Projektnummer 347368182).

Open-Access-Förderung ermöglicht und organisiert durch Projekt DEAL.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Sebastian Victor Jansen und Jutta Arens.

Abteilung für Herz-Kreislauf-Technik, Institut für Angewandte Medizintechnik, Helmholtz-Institut, RWTH Aachen, Pauwelsstr. 20, 52074, Aachen, Deutschland

Felix Hesselmann, Michael Halwes, Ulrich Steinseifer, Sebastian Victor Jansen & Jutta Arens

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik, RWTH Aachen, Forckenbeckstr. 51, 52074, Aachen, Deutschland

Patrick Bongartz & Matthias Wessling

DWI-Leibniz-Institut für Interaktive Materialien, RWTH Aachen, Forckenbeckstr. 50, 52074, Aachen, Deutschland

Matthias Weßling

Abteilung für Pneumologie und internistische Intensivmedizin, Medizinische Klinik V, Universitätsklinikum der RWTH Aachen, Pauwelsstr. 30, 52074, Aachen, Deutschland

Christian Cornelissen

Institut für Angewandte Medizintechnik, Helmholtz-Institut, RWTH Aachen, Pauwelsstr. 20, 52074, Aachen, Deutschland

Thomas Schmitz-Rode

Lehrstuhl für technische Organunterstützungstechnologien, Abteilung für Biomechanik, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Technische Universität Twente, Enschede, Niederlande

Jutta Arens

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FH war an der Konzeptualisierung, formalen Analyse, Untersuchung, Methodik, Visualisierung und dem Schreiben beteiligt – Originalentwurf; MH trug zur formalen Analyse, Untersuchung, Methodik, Visualisierung und zum Schreiben bei – Überprüfung und Bearbeitung; PB war an der Methodik und dem Schreiben beteiligt – Überprüfung und Bearbeitung; MW, CC, TSR, US, SVJ und JA haben schriftlich mitgewirkt – Überprüfung und Bearbeitung.

Korrespondenz mit Felix Hesselmann.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hesselmann, F., Halwes, M., Bongartz, P. et al. TPMS-basierte Membranlunge mit lokal veränderten Permeabilitäten für optimale Strömungsverteilung. Sci Rep 12, 7160 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11175-y

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Eingegangen: 30. August 2021

Angenommen: 11. April 2022

Veröffentlicht: 03. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11175-y

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