Turbulenz und Blutschädigung: In-vitro Untersuchung der turbulenzinduzierten Hämolyse in einem Taylor-Couette-System

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Leonid Goubergrits; Professor Dr.-Ing. Christian Oliver Paschereit
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 507267166

In künstlichen Organen bzw. kardiovaskulären Implantaten, wie bspw. Herzunterstützungssystem, treten häufig turbulente Strömungen auf, welche mit einer relevanten Blutschädigung assoziiert sind. Ziel des Projektes ist es, diese durch turbulente Mechanismen verursachte Blutschädigung zu untersuchen und zu quantifizieren. Dies ist bisher noch nicht gelungen, da die in der Strömungsmechanik bekannten Turbulenzkammern für Blutuntersuchungen ungeeignet sind. Mit einem neuen experimentellen Modell, einem turbulenzerzeugenden Taylor-Couette-System (TCS) mit zwei gegenläufig rotierenden Zylindern, soll die Blutschädigung experimentell untersucht werden. Es wird eine differenzierte Analyse von klinischen Parametern der Hämolyse durchgeführt. Stand der Forschung: In der internationalen Literatur wird die Bedeutung der Blutschädigung durch Herzunterstützungssysteme als aktuelles und wichtiges Problem beschrieben. Es werden viele Schädigungsmodelle vorgestellt. Jedoch herrscht ein Mangel an Übereinstimmung unter diesen Modellen als auch zwischen den Modellen und experimentellen Ergebnissen. Bisher ist kein experimentelles Modell bekannt, bei dem ein kleines Blutvolumen einer definierten Turbulenz ausgesetzt werden kann. Hypothese: Die Hypothese lautet, dass mit einem speziell entwickelten TCS die Blutschädigung durch Turbulenz experimentell untersucht werden kann. In diesem TCS können der Innenzylinder und der Außenzylinder unabhängig voneinander rotieren. Wenn sich beide Zylinder mit einer bestimmten Drehzahlkombination gegenläufig drehen, entsteht im Spalt eine gleichförmige turbulente Strömung. Dieser Strömungszustand wurde bisher noch nicht für die Untersuchung der Blutschädigung durch Turbulenz genutzt. Insbesondere kann im gleichen Gerät bei geeigneter Wahl der Rotationsgeschwindigkeiten beider Zylinder eine laminare Strömung mit gleicher mittlerer Scherrate, wie sie in den turbulenten Bereichen vorherrscht, erzeugt werden. Damit kann die Blutschädigung durch turbulente Effekte mit der Blutschädigung durch die vielfach untersuchten laminaren Strömung verglichen werden. Methoden: Mit dem TCS mit gegenläufig rotierenden Zylindern wird im Spalt eine turbulente Strömung erzeugt. Weiterhin können turbulente und laminare Strömungen gleicher mittlerer Scherrate erzeugt werden. Die Strömung wird experimentell durch eine zwei-Geschwindigkeitskomponenten LDA Messung in einem Blutersatzfluid untersucht. Die charakteristischen Turbulenzgrößen werden in Abhängigkeit der Drehzahlen ermittelt und der Einfluss von Strömungszustand, Turbulenzintensität und Einwirkzeit auf diese Turbulenzgrößen wird untersucht. Weiterhin wird die Streuung der gemessenen Parameter untersucht. Hierfür werden zunächst Blutproben von Tieren und anschließend gesunden Probanden in den Spalt des TCS eingebracht und mit gängigen Methoden untersucht. Anschließend soll ein Zusammenhang zwischen Blutschädigung mit den turbulenten Strömungsgrößen analysiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen