TPMS

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 7160 (2022) Citer cet article

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Les poumons à membrane sont constitués de milliers de membranes de fibres creuses regroupées sous forme de faisceau. Les dispositifs souffrent souvent de complications dues à un écoulement non uniforme à travers le faisceau membranaire, y compris des régions à débit excessivement élevé et à écoulement stagnant. Nous présentons ici une conception de validation de principe pour un poumon à membrane contenant un module membranaire basé sur des surfaces minimales triplement périodiques (TPMS). En déformant les géométries TPMS d'origine, la perméabilité locale dans n'importe quelle région du module pourrait être augmentée ou diminuée, permettant ainsi d'adapter la distribution du flux sanguin à travers l'appareil. En créant un schéma d'optimisation itératif pour déterminer la répartition de la perméabilité dans le sens du flux à l'intérieur d'un domaine poreux informatique, la forme souhaitée d'un réseau d'éléments TPMS a été déterminée par simulation. Cette forme souhaitée a été traduite en un modèle de conception assistée par ordinateur (CAO) pour un prototype d'appareil. Le dispositif a ensuite été produit par fabrication additive afin de tester la nouvelle conception par rapport à un dispositif prédicat standard de l’industrie. La distribution du flux était homogénéisée de manière vérifiable et le temps de séjour réduit, promettant une performance plus efficace et une résistance accrue à la thrombose. Ce travail montre à quel point le TPMS peut servir de nouvel élément de base pour les processus d’échange dans les dispositifs médicaux.

Les membranes à fibres creuses constituent la norme industrielle pour une variété de processus techniques et industriels de séparation par membrane depuis des décennies1,2. De nombreuses thérapies médicales modernes sont basées sur ce type de processus de séparation membranaire, dirigeant le sang des patients vers un module membranaire afin de soutenir le fonctionnement des organes natifs. Les thérapies telles que la thérapie de remplacement rénal3, le soutien hépatique extracorporel artificiel4 ou l'assistance pulmonaire extracorporelle (ECLA)5 sont des options de traitement populaires pour de nombreux patients. Bien que distinctes, chacune de ces thérapies dépend de processus de séparation membranaire. De même, bien que les dispositifs utilisés dans chacune de ces thérapies aient certaines exigences uniques, une efficacité d'échange adéquate est une exigence de conception omniprésente et dépend fortement de l'homogénéité du flux à travers le faisceau de membranes de fibres creuses.

Dans les poumons à membrane, les inhomogénéités de vitesse sont le plus souvent le résultat de géométries d’entrée et de sortie qui introduisent et reçoivent le flux sanguin vers et depuis le faisceau de fibres de manière non uniforme. Dans l’ensemble, cette répartition non uniforme du flux a plusieurs impacts négatifs sur les performances de l’appareil. Premièrement, cela crée des zones de régimes d’écoulement à grande vitesse au sein du faisceau, exposant le sang à des contraintes de cisaillement élevées et provoquant des dommages aux globules rouges et une activation des plaquettes6. Deuxièmement, alors que dans les zones de stagnation, le sang saturé n’est pas éliminé, des flux de dérivation peuvent se produire, conduisant à une exploitation insuffisante de la surface d’échange gazeux7,8,9. Cela réduit l'efficacité globale de l'échange de l'appareil. Enfin, des champs d'écoulement non uniformes entraînent des zones d'écoulement faible ou stagnant, ce qui peut conduire à la formation de thrombus dans le faisceau de fibres10,11. Au-delà du simple blocage de la surface d'échange du dispositif, ces thrombus peuvent emboliser et entraîner une défaillance mécanique du dispositif voire provoquer des événements indésirables pour le patient12,13,14,15. En effet, le thrombus de l'oxygénateur s'est avéré être l'une des principales complications mécaniques de l'oxygénation extracorporelle par membrane (ECMO), un article de synthèse révélant un taux de coagulation de 20 % parmi 1 473 cas16.

Les faisceaux de membranes de fibres modernes sont constitués de nattes de fibres creuses enroulées autour d'un noyau central ou empilées les unes sur les autres perpendiculairement. Dans les poumons à membrane, le flux sanguin est dirigé autour de la lumière externe des fibres, le gaz circulant à l’intérieur des fibres. Cependant, le sang circulant dans une banque de fibres présente un défi unique. Quelle que soit leur forme, le recours aux fibres creuses comme éléments constitutifs de leurs modules membranaires entraîne une conséquence principale pour tous les poumons membranaires : une résistance uniforme à l’écoulement. Cette résistance uniforme résulte de la géométrie uniforme des fibres creuses ainsi que de la disposition étroite et équidistante des matelas de fibres. Une autre façon d’envisager cela serait de discuter de la perméabilité aux fluides des faisceaux de fibres en tant que milieu poreux tel qu’ils sont généralement modélisés à des fins de simulation10,17,18. Dépendant uniquement de la géométrie du trajet d'écoulement, la perméabilité, Kperm, relie la perte de pression, \(\frac{\partial p}{\partial {x}_{i}}\), à la vitesse superficielle, vs, pour un direction dans les écoulements rampants via la loi de Darcy19 :