TPMS

Scientific Reports volume 12、記事番号: 7160 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

膜肺は、束として詰め込まれた数千の中空糸膜で構成されています。 装置は、過度に高い流量と停滞した流量の両方の領域を含む、膜束を通る不均一な流れにより、しばしば複雑な問題に悩まされる。 ここでは、三重周期最小表面 (TPMS) に基づく膜モジュールを含む膜肺の概念実証設計を紹介します。 元の TPMS 形状を変形させることにより、モジュールの任意の領域内の局所的な透過性を上げたり下げたりすることができ、デバイスを通る血流分布を調整することが可能になります。 計算上の多孔質ドメイン内の流れ方向の透過性の分布を決定するための反復最適化スキームを作成することにより、TPMS 要素の格子の望ましい形状がシミュレーションによって決定されました。 この望ましい形状は、プロトタイプ デバイスのコンピューター支援設計 (CAD) モデルに変換されました。 次に、業界標準の述語デバイスに対して新しい設計をテストするために、デバイスは積層造形によって製造されました。 流量分布は実証的に均一化され、滞留時間が短縮され、より効率的な性能と血栓に対する耐性の向上が期待できます。 この研究は、TPMS が医療機器の交換プロセスの新しい構成要素としてどの程度機能する可能性があるかを示しています。

中空糸膜は、数十年にわたり、さまざまな技術的および工業的な膜分離プロセスの業界標準となってきました 1,2。 現代の医療療法の多くは、この種の膜分離プロセスに基づいており、本来の臓器機能をサポートするために患者の血液を膜モジュールに送り込みます。 腎代替療法 3、人工体外肝臓サポート 4、または体外補助肺補助 (ECLA) 5 などの治療法は、多くの患者にとって人気のある治療選択肢です。 これらの治療法はそれぞれ異なりますが、膜分離プロセスに依存します。 同様に、これらの各治療法で使用されるデバイスには特定の固有の要件がありますが、適切な交換効率は普遍的な設計要件であり、中空糸膜束を通る流れの均一性に大きく依存します。

膜肺では、速度の不均一性は最も一般的に、線維束への血流の導入および線維束からの血流の受け取りが不均一である入口および出口の幾何学的形状の結果として起こります。 全体として、この不均一な流量分布はデバイスのパフォーマンスにいくつかの悪影響を及ぼします。 まず、束内に高速流域が形成され、血液が高いせん断応力にさらされ、赤血球の損傷と血小板の活性化が引き起こされます6。 第二に、停滞領域では飽和血液が除去されない一方で、シャント流が発生し、ガス交換表面積の利用が不十分になる可能性があります7、8、9。 これにより、デバイス全体の交換効率が低下します。 最後に、不均一な流れ場により、流れが少ない領域または停滞した領域が生じ、繊維束内に血栓が形成される可能性があります10、11。 これらの血栓は、単にデバイスの交換表面をブロックするだけでなく、塞栓を形成してデバイスの機械的故障を引き起こしたり、患者に有害事象を引き起こす可能性さえあります12、13、14、15。 実際、人工肺血栓は体外膜型人工肺 (ECMO) における主要な機械的合併症の 1 つであることが判明しており、あるレビュー論文では 1,473 例中 20% の凝固率が明らかになりました 16。

最新の繊維膜束は、中心コアの周りに巻かれた中空繊維マット、または互いに垂直に積み重ねられた中空繊維マットで構成されています。 膜肺では、血流は繊維の外側内腔の周りに向けられ、ガスは繊維の内部を流れます。 ただし、繊維のバンクを流れる血液には独特の課題があります。 形状に関係なく、膜モジュールの構成要素として中空糸に依存すると、すべての膜肺に 1 つの主要な結果が生じます。それは、流れに対する均一な抵抗です。 この均一な抵抗は、中空繊維の均一な形状と繊維マットの狭く等間隔の配置の結果です。 これを考慮する別の方法は、繊維束は通常シミュレーション目的でモデル化されるため、多孔質媒体としての繊維束の流体透過性を議論することです10、17、18。 流路の形状のみに依存する透過性 Kperm は、圧力損失 \(\frac{\partial p}{\partial {x}_{i}}\) と空塔速度とを関連付けます。ダーシーの法則による忍び寄る流れの方向19: