Modellierung und Validierung des Stofftransports und der mehrphasigen Fluiddynamik in Hohlfaseroxygenatoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Steinseifer
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 261129001

Oxygenatoren werden klinisch eingesetzt, um die Gasaustauschfunktion der Lunge eines Patienten mithilfe von Hohlfasermembranen teilweise oder vollständig zu übernehmen. Man unterscheidet zwischen Kurzzeitanwendung als Teil einer Herz-Lungen-Maschine (HLM), oder Langzeitanwendung als Teil einer Extrakorporalen Lungenunterstützung (ECLA). Insbesondere bei der ECLA besteht ein Missverhältnis zwischen medizinischem Bedarf und technischem Angebot, weshalb derzeit numerische Simulationen eingesetzt werden, um die Effizienz der Oxygenatoren zu verbessern. Diese Simulationen werden meist mittels kennzahlorientierter, semiempirischer Analysen durchgeführt ohne damit lokale Effekte wie Strömungsänderungen, Membran-eigenschaften oder Faseranordnung untersuchen zu können.Ziel dieses Projektes ist die Weiterentwicklung und experimentelle Validierung eines neuartigen Simulationsmodells, welches den Stoffaustausch im Blut in mikroskopischen Dimensionen, ohne Verwendung jeglicher Kennzahlen und ohne vorangestellte Experimente simuliert. Dieses Modell ist bisher auf die Berechnung von einem Fasertyp und konstante Anströmung beschränkt und modelliert Blut als nicht-newtonsche, homogene Flüssigkeit. Im Rahmen dieses Projektes wird das Modell auf instationäre Anströmung und unterschiedliche Fasertypen erweitert. Auch wird ein komplexeres Blutmodell erarbeitet, worin Plasma und Erythrozyten als zwei Phasen modelliert werden, um den Einfluss dieser Mehrphasigkeit auf den Gasaustausch numerisch zu untersuchen. Die Simulationen werden kontinuierlich in-vitro überprüft und numerisch angepasst. Das in dieser Form überarbeitete Modell soll künftig insbesondere bei der Erforschung neuartiger Membranmaterialien eingesetzt werden, um Oxygenatoren effizienter zu gestalten und deren Einsatz in der ECLA zu verbessern. Darüber hinaus sollen damit Aussagen über die Einflüsse unterschiedlicher Pulsformen auf den Gasaustausch in einem Membranoxygenator getroffen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr. Thomas Schmitz-Rode