Erforschung des Strömungsverhaltens von Blut im wandnahen Bereich von engen Spalten bei technisch relevanten Reynoldszahlen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Jeanette Hussong; Dr.-Ing. Benjamin Torner
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469384587

Herzunterstützungssysteme (Ventricular Assist Devices; VADs) werden Menschen mit schwerer Herzinsuffizienz implantiert, um den Blutkreislauf aufrechtzuerhalten. Die am häufigsten implantierten VADs stellen Turbopumpen dar. Ein Hauptziel der VAD-Optimierung ist die Minimierung von strömungsinduzierter Blutschädigung, die aufgrund von supraphysiologischen Spannungen auftritt. Die Blutschädigung wird mittels Strömungssimulationen und empirischen Blutschädigungsmodellen berechnet. Jedoch ist es für VAD-Simulationen derzeit nicht möglich, quantitativ korrekte Blutschädigungswerte, z.B. für Hämolyse (Erythrozytenschädigung), zu bestimmen. Ein möglicher Grund für die Fehlberechnung der Hämolyse liegt darin, dass in der VAD-Simulation das Blut als einphasiges Fluid betrachtet wird. In der Realität könnten jedoch mehrphasige Effekte auftreten. So könnte in der Blutströmung in engen VAD-Spalten, in denen die höchsten Spannungen wirken, eine Erythrozytenmigration auftreten, bei denen Erythrozyten in die Spaltmitte migrieren und eine zellfreie Plasmaschicht an den Wänden entsteht. Die Plasmaschicht wird die wirkenden Spannungen und die Hämolyse im Spalt beeinflussen. Sie wurde jedoch bisher weder experimentell in VAD-Spalten untersucht, noch in VAD-Simulationen berücksichtigt. Die Hauptziele des Projekts sind folglich die experimentelle Untersuchung des Strömungsfeldes in blutdurchströmten, engen Spalten; die Charakterisierung der Plasmaschicht im Spalt; sowie die numerische Modellierung in diesem. Da die Zugänglichkeit für Messungen zum VAD-Spalt eingeschränkt ist, werden die geometrischen Parameter und Strömungszustände der Spalte vereinfacht in Mikrokanälen nachgestellt, welche mit Tierblut durchströmt werden. Zum einen geschehen optische Strömungsuntersuchungen mittels Micro-Partice Image Velocimetry und Astigmatismus Particle Tracking Velocimetry, um die Blutströmung zu beschreiben und die Plasmaschicht zu charakterisieren. Zum anderen sollen Wandschubspannungen in den Mikrokanälen mittels Wandschubspannungswaagen erfasst werden. Dazu werden zusätzlich einphasige Blutersatzfluide (BEF) eingesetzt. Durch den Vergleich der Wandschubspannung zwischen BEF und Tierblut wird der Unterschied in den wirkenden Spannungen aufgrund der Plasmaschicht im Blut quantifiziert. Anschließend erfolgt die numerische Modellierung der Blutströmung unter Berücksichtigung der Plasmaschicht mittels eines erweiterten Fluidmodells, die Validierung des Modells, sowie der Vergleich mit derzeitigen Fluidmodellen. Im letzten Projektziel wird zudem der Einfluss verschiedener Einlaufgeometrien auf die Plasmaschicht-Ausbildung im Spalt untersucht und Empfehlungen für die Gestaltung des Einlaufbereiches abgeleitet. Das Erreichen der Projektziele bildet die Grundlage für ein verbessertes Verständnis der Blutströmung in den engen Spalten von VADs und deren richtige numerische Modellierung. Auf Basis dessen kann die Strömung & Blutschädigung in VADs in Zukunft verbessert berechnet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Frank-Hendrik Wurm