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Projekt
Auswirkungen von Volumenersatzflüssigkeiten auf den Blutfluss in-vitro und in-vivo
Fachliche Zuordnung
Strömungsmechanik
Kardiologie, Angiologie
Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
Kardiologie, Angiologie
Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
Förderung
Förderung seit 2019
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 349558021
Rote Blutzellen sind aus physikalischer Sicht stark deformierbare Objekte, welche Kapillaren und Engstellen passieren können, die deutlich kleiner als die Zellgröße sind. Sie bestehen aus einer Doppellipidschicht-Membran, die von einem polymeren Spektrinnetzwerk unterstützt wird und die das sich im Inneren befindende Hämoglobin umschließt. Aufgrund ihrer starken Deformierbarkeit wechselwirken sie stark mit der Strömung und in Abhängigkeit des jeweiligen Strömungsprofils können sie eine Vielzahl an Formen einnehmen, sowohl in einfacher Scherströmung als auch im Poiseuillefluss. In diesem Sinne sind sie ein exzellentes Modellsystem zum Studium der Strömungs-Struktur-Wechselwirkung. Der größte Teil des Druckabfalls in physiologischer vaskulärer Strömung tritt im Kapillarsystem auf, wo nur noch einzelne Zellen hintereinander strömen können. Allerdings führt die dort auftretende Wechselwirkung zwischen Wand und Strömungsfeld zu weiterer Komplexität. In solch engen Begrenzungen lässt sich selbst schon bei stationärer äußerer Strömung eine erhebliche zeitliche Dynamik der Zellform beobachten, die von einfachen Oszillationen bis hin zum Chaos reicht. Physiologische Strömung ist aber grundsätzlich nicht-stationär, entweder aufgrund des Herzschlags oder aufgrund der Komplexität des kapillaren Netzwerks, in dem Dichtefluktuationen zu großen Druckfluktuationen führen. Die Zellen sind in einem wässrigen Medium, dem Plasma, suspendiert, das etwa 8 % makromolekulare Proteine enthält. Sie verursachen eine starke Anziehungskraft zwischen den Erythrozyten und führen zu Aggregaten, die die Ursache für die ausgeprägte Scherverdünnung des Blutes sind. Zumindest in der Dehnungsströmung hat das Plasma auch viskoelastische Eigenschaften. In der klinischen Anwendung bei schwerem Blutverlust und der daraus resultierenden Schocksituation werden verschiedene Lösungen verwendet, um das Blutvolumen zu ersetzen. Dazu gehören Kristalloide, die im Wesentlichen ionische Puffer sind, und Kolloide (so genannte Plasmaexpander), die aus Makromolekülen bestehen und daher die Fähigkeit besitzen, einen höheren kolloidosmotischen Druckruck aufrechtzuerhalten. In unserem Projekt werden wir die zeitliche Dynamik einzelner roter Blutzellen in pulsierender Strömung sowohl in-vitro als auch in-vivo untersuchen. Unser Ziel ist es, die Auswirkungen verschiedener Blutvolumenersatzflüssigkeiten und viskoelastischer Modelllösungen auf die Strömungsmechanik des Blutes zu verstehen. Wir interessieren uns auch für die Auswirkungen pathologischer Erythrozyten auf die Strömungseigenschaften, was auch von großer klinischer Relevanz ist. Bei vielen Blutkrankheiten verändern die Erythrozyten ihre Form und Flexibilität, was zu stark veränderten rheologischen und fluiddynamischen Eigenschaften führt. Auch hier wollen wir untersuchen, ob die Anwendung von polymeren Ersatzflüssigkeiten zu einer, zumindest zeitweiligen, Verbesserung der volumetrischen Flussrate in vivo führen könnte.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
