avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2024-8-4-46-53OJRWPUavroen-123Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER AND CHEMICAL ENGINEERINGВлияние режима работы центробежного насоса систем экстракорпоральной мембранной оксигенации на повреждение крови в немInfluence of the extracorporeal membrane oxygenation system centrifugal pump operation mode on blood damagehttps://orcid.org/0000-0001-5954-2320ИсаеваМ. С.IsaevaM. S.

ИСАЕВА Мария Сергеевна, младший научный сотрудник 

105005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1

ISAEVA Mariya Sergeyevna, Research Fellow of Scientific Research Institute EM 3.4

Moscow

https://orcid.org/0000-0001-8048-8170ПетровА. И.PetrovA. I.

ПЕТРОВ Алексей Игоревич, кандидат технических наук, доцент кафедры Э 10 «Гидромеханика, гидромашины и гидропневмоавтоматика» 

105005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1

PETROV Aleksey Igorevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of E 10 Hydromechanics, Hydraulic Machines and Hydropneumatic Automation Department

Moscow

https://orcid.org/0000-0002-7006-2990БанинЕ. П.BaninYe. P.

БАНИН Евгений Петрович, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории полимерных материалов Курчатовского комплекса НБИКС-технологий

123182, г. Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1

BANIN Yevgeniy Petrovich, Candidate of Technical Sciences, Researcher of Polymer Materials Laboratory of the Kurchatov complex of NBICS Technologies

Moscow

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет)РоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian FederationНаучно-исследовательский центр «Курчатовский институт»РоссияNational Research Center «Kurchatov Institute»Russian Federation202430122024844653Copyright © Исаева М.С., Петров А.И., Банин Е.П., 20242024Исаева М.С., Петров А.И., Банин Е.П.Isaeva M.S., Petrov A.I., Banin Y.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/123

Одной из ключевых задач при разработке насосов вспомогательного кровообращения является учет его взаимодействия с компонентами крови и их соответствующее повреждение. Традиционно в инженерной практике принято учитывать только один параметр повреждения (гемолиз или тромбоз). Однако невозможно однозначно утверждать, какой именно параметр, и при каких условиях будет наиболее опасным. Более того, в процессе эксплуатации систем вспомогательного кровообращения в зависимости от состояния пациента входящие в них насосы работают на разных режимах, что сказывается на значениях параметров повреждения крови. В рамках данного исследования проведено численное моделирование работы насоса на разных режимах (по расходу и частоте вращения ротора) и произведена оценка соответствующего изменения величин одновременно двух параметров повреждения крови: гемолиза и тромбоза. Установлено, что в зависимости от рассматриваемого параметра повреждения изменяются и наиболее опасные режимы работы: гемолиз продемонстрировал наибольшую зависимость от частоты вращения (ее увеличение в три раза привело к увеличению гемолиза в 120 раз), а тромбоз — от расхода (его уменьшение в девять раз привело к увеличению параметра тромбоза в шесть раз). Также отмечено, что вне зависимости от учитываемого параметра повреждения наибольший вклад в повреждение крови вносил отвод, однако баланс между вкладом элементов (рабочего колеса и отвода) перераспределялся в зависимости от рассматриваемого параметра повреждения. Полученные результаты продемонстрировали, что для создания безопасного насоса вспомогательного кровообращения в процессе его проектирования и оптимизации необходимо одновременно учитывать и гемолиз, и тромбоз, а также динамику эксплуатации системы. 

One of the key tasks in the development of mechanical circulatory support pump is to take into account its interaction with blood components and their corresponding damage. Within the framework of this study, numerical modeling of the pump operation in different modes is carried out and an assessment of the corresponding change in the values of hemolysis and thrombosis is made. It is found that the most dangerous operating modes also change depending on the parameter under consideration: hemolysis demonstrated the greatest dependence on rotation rate, thrombosis — on flow rate. It is also noted that regardless of the damage parameter taken into account, the greatest contribution to blood damage is made by volute, but the balance between the contribution of the pump elements vary depending on the damage parameter under consideration. The obtained results demonstrate that in order to create a safe mechanical circulatory support pump, during its design and optimization process it is necessary to take into account both hemolysis and thrombosis, as well as the dynamics of system operation.численное моделированиецентробежный насосгемолизтромбозрежим работыкасательное напряжениекровьCFDcentrifugal pumphemolysisthrombosisoperation modeshear stressbloodИсследование и подготовка публикации проведены при частичной финансовой поддержке Госзадания Научно-исследовательского центра «Курчатовский институт» в части проведения ма- тематического моделирования и оценки гемолиза и тромбоза.The research was partially supported by National Research Center «Kurchatov Institute» in terms of assessment of hemolysis and thrombosis.ReferencesNandakumar D., Bendavid A., Martin P. J. [et al.]. Fabrication of Semiordered Nanopatterned Diamond-like Carbon and Titania Films for Blood Contacting Applications // ACS Applied Materials & Interfaces. 2016. Vol. 8 (11). P. 6802–6810. DOI: 10.1021/acsami.5b11614.Nandakumar D., Bendavid A., Martin P. J. [et al.]. Fabrication of Semiordered Nanopatterned Diamond-like Carbon and Titania Films for Blood Contacting Applications // ACS Applied Materials & Interfaces. 2016. Vol. 8 (11). P. 6802–6810. DOI: 10.1021/acsami.5b11614. (In Engl.).Gorbet M. B., Sefton M. V. Biomaterial-associated thrombosis: roles of coagulation factors, complement, platelets and leukocytes // Biomaterials. 2004. Vol. 25 (26). P. 5681–5703. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2004.01.023.Gorbet M. B., Sefton M. V. Biomaterial-associated thrombosis: roles of coagulation factors, complement, platelets and leukocytes // Biomaterials. 2004. Vol. 25 (26). P. 5681–5703. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2004.01.023. (In Engl.).Gorbet M., Sperling C., Maitz M. F. [et al.]. The blood compatibility challenge. Part 3: Material associated activation of blood cascades and cells // Acta Biomater. 2019. Vol. 94 (1). P. 25–32. DOI: 10.1016/j.actbio.2019.06.020.Gorbet M., Sperling C., Maitz M. F. [et al.]. The blood compatibility challenge. Part 3: Material associated activation of blood cascades and cells // Acta Biomater. 2019. Vol. 94 (1). P. 25–32. DOI: 10.1016/j.actbio.2019.06.020. (In Engl.).Mei X., Lu B., Wu P., Zhang L. In vitro study of red blood cell and VWF damage in mechanical circulatory support devices based on blood-shearing platform // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part H. Journal of Engineering in Medicine. 2022 Vol. 236 (6). P. 860–866. DOI: 10.1177/09544119221088420.Mei X., Lu B., Wu P., Zhang L. In vitro study of red blood cell and VWF damage in mechanical circulatory support devices based on blood-shearing platform // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part H. Journal of Engineering in Medicine. 2022 Vol. 236 (6). P. 860–866. DOI: 10.1177/09544119221088420. (In Engl.).Nakahara T., Yoshida F. Mechanical effects on rates of hemolysis // J Biomed Mater Res. 1986. Vol. 20 (3). P. 363–374. DOI: 10.1002/jbm.820200308.Nakahara T., Yoshida F. Mechanical effects on rates of hemolysis // J Biomed Mater Res. 1986. Vol. 20 (3). P. 363–374. DOI: 10.1002/jbm.820200308. (In Engl.).Yen J. H., Chen S. F., Chern M. K., Lu P. C. The effect of turbulent viscous shear stress on red blood cell hemolysis // International Journal of Artificial Organs. 2014. Vol. 17 (2). P. 178–185. DOI: 10.1007/s10047-014-0755-3.Yen J. H., Chen S. F., Chern M. K., Lu P. C. The effect of turbulent viscous shear stress on red blood cell hemolysis // International Journal of Artificial Organs. 2014. Vol. 17 (2). P. 178–185. DOI: 10.1007/s10047-014-0755-3. (In Engl.).Chan C. H. H., Simmonds M. J., Fraser K. H. Discrete responses of erythrocytes, platelets, and von Willebrand factor to shear // Journal of Biomechanics. 2022. Vol. 130. 110898. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2021.110898.Chan C. H. H., Simmonds M. J., Fraser K. H. Discrete responses of erythrocytes, platelets, and von Willebrand factor to shear // Journal of Biomechanics. 2022. Vol. 130. 110898. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2021.110898. (In Engl.).Chen Z., Sun A., Wang H. Non-physiological shear stressinduced blood damage in ventricular assist device // Medicine in Novel Technology and Devices. 2019. Vol. 3. 100024. DOI: 10.1016/j.medntd.2019.100024.Chen Z., Sun A., Wang H. Non-physiological shear stress-induced blood damage in ventricular assist device // Medicine in Novel Technology and Devices. 2019. Vol. 3. 100024. DOI: 10.1016/j.medntd.2019.100024. (In Engl.).Köhne I. Haemolysis induced by mechanical circulatory support devices: unsolved problems // Perfusion. 2020. Vol. 35 (6). P. 474–483. DOI: 10.1177/0267659120931307.Köhne I. Haemolysis induced by mechanical circulatory support devices: unsolved problems // Perfusion. 2020. Vol. 35 (6). P. 474–483. DOI: 10.1177/0267659120931307. (In Engl.).Боярский Г. Г. Разработка метода проектирования микронасосов для систем поддержки кровообращения: дис. … канд. техн. наук. Москва, 2022. 125 с.Boyarsky G. G. Razrabotka metoda proyektirovaniya mikronasosov dlya sistem podderzhki krovoobrashcheniya [Development of a design method for micropumps for circulatory support systems]. Moscow, 2022. 125 p. (In Russ.).Stulak J. M., Sharma S., Maltais S. Management of pump thrombosis in patients with left ventricular assist devices // American Journal of Cardiovascular Drugs. 2015. Vol. 15 (2). P. 89–94. DOI: 10.1007/s40256-014-0102-3. PMID: 25567787.Stulak J. M., Sharma S., Maltais S. Management of pump thrombosis in patients with left ventricular assist devices // American Journal of Cardiovascular Drugs. 2015. Vol. 15 (2). P. 89–94. DOI: 10.1007/s40256-014-0102-3. PMID: 25567787. (In Engl.).Najean Y., Dresch C. Physiologie de l'hйmolyse // Revue du Praticien. 1965. Vol. 15 (23). P. 2989–2994.Najean Y., Dresch C. Physiologie de l'hémolyse [Physiology of hemolysis] // Revue du Praticien. 1965. Vol. 15 (23). P. 2989–2994. (In Fr.).Левтов В. А., Регидер С. А., Шадрина Н. Х. Реология крови. Москва: Медицина, 1982. 269 с.Levtov V. A., Regider S. A., Shadrina N. Kh. Reologiya krovi [Blood rheology]. Moscow, 1982. 269 p. (In Russ.).Baldwin A. C. W. [et al.]. Nonidentical Continuous-Flow Devices for Biventricular Support // Texas Heart Institute Journal. 2017. № 2 (44). P. 141–143. DOI: 10.14503/THIJ-16-5878.Baldwin A. C. W. [et al.]. Nonidentical Continuous-Flow Devices for Biventricular Support // Texas Heart Institute Journal. 2017. No. 2 (44). P. 141–143. DOI: 10.14503/THIJ-16-5878. (In Engl.).Garon A., Farinas M. I. Fast three-dimensional numerical hemolysis approximation // Artificial Organs. 2004. Vol. 28 (11). P. 1016–1025. DOI: 10.1111/j.1525-1594.2004.00026.x.Garon A., Farinas M. I. Fast three-dimensional numerical hemolysis approximation // Artificial Organs. 2004. Vol. 28 (11). P. 1016–1025. DOI: 10.1111/j.1525-1594.2004.00026.x. (In Engl.).Mantegazza A., Tobin N., Manning K. B., Craven B. A. Examining the universality of the hemolysis power law model from simulations of the FDA nozzle using calibrated model coefficients // Biomech Model Mechanobiol. 2023. Vol. 22 (2). P. 433–451. DOI: 10.1007/s10237-022-01655-5.Mantegazza A., Tobin N., Manning K. B., Craven B. A. Examining the universality of the hemolysis power law model from simulations of the FDA nozzle using calibrated model coefficients // Biomech Model Mechanobiol. 2023. Vol. 22 (2). P. 433–451. DOI: 10.1007/s10237-022-01655-5. (In Engl.).Gu L., Smith W. Evaluation of computational models for hemolysis estimation // ASAIO Journal. 2005. Vol. 51 (3). P. 202– 207. DOI: 10.1097/01.MAT.0000161939.29905.93.Gu L., Smith W. Evaluation of computational models for hemolysis estimation // ASAIO Journal. 2005. Vol. 51 (3). P. 202– 207. DOI: 10.1097/01.MAT.0000161939.29905.93. (In Engl.).Giersiepen M., Wurzinger L. J., Opitz R., Reul H. Estimation of shear stress-related blood damage in heart valve prostheses--in vitro comparison of 25 aortic valves // International Journal of Artificial Organs. 1990. Vol. 13 (5). P. 300–306.Giersiepen M., Wurzinger L. J., Opitz R., Reul H. Estimation of shear stress-related blood damage in heart valve prostheses--in vitro comparison of 25 aortic valves // International Journal of Artificial Organs. 1990. Vol. 13 (5). P. 300–306. (In Engl.).Asakura H. [Pathophysiology and classification of thrombosis] // Nihon Rinsho. Japanese Journal of Clinical Medicine. 2014. Vol. 72 (7). P. 1184–1190.Asakura H. Pathophysiology and classification of thrombosis // Nihon Rinsho. Japanese Journal of Clinical Medicine. 2014. Vol. 72 (7). P. 1184–1190. (In Engl.).Taylor J. O., Meyer R. S., Deutsch S., Manning K. B. Development of a computational model for macroscopic predictions of device-induced thrombosis // Biomech Model Mechanobiol. 2016. Vol. 15 (6). P. 1713–1731. DOI: 10.1007/ s10237-016-0793-2.Taylor J. O., Meyer R. S., Deutsch S., Manning K. B. Development of a computational model for macroscopic predictions of device-induced thrombosis // Biomech Model Mechanobiol. 2016. Vol. 15 (6). P. 1713–1731. DOI: 10.1007/ s10237-016-0793-2. (In Engl.).Wenyu J., Huanbao L., Ping N. [et al.]. Design and preparation of an artificial vascular scaffold with internal surface modification // Artificial Organs. 2024. Vol. 48. DOI: 10.1111/ aor.14707.Wenyu J., Huanbao L., Ping N. [et al.]. Design and preparation of an artificial vascular scaffold with internal surface modification // Artificial Organs. 2024. Vol. 48. DOI: 10.1111/ aor.14707. (In Engl.).Dai W. F., Wu P., Liu G. M. A two-phase flow approach for modeling blood stasis and estimating the thrombosis potential of a ventricular assist device // International Journal of Artificial Organs. 2021. Vol. 44 (7). P. 471–480. DOI: 10.1177/0391398820975405.Dai W. F., Wu P., Liu G. M. A two-phase flow approach for modeling blood stasis and estimating the thrombosis potential of a ventricular assist device // International Journal of Artificial Organs. 2021. Vol. 44 (7). P. 471–480. DOI: 10.1177/0391398820975405. (In Engl.).Boyd J., Buick J. M., Green S. Analysis of the Casson and Carreau-Yasuda non-Newtonian blood models in steady and oscillatory flows using the lattice Boltzmann method // Physics of Fluids (1994-present). 2007. Vol. 19, № 9. P. 093103. DOI: 10.1063/1.2772250.Boyd J., Buick J. M., Green S. Analysis of the Casson and Carreau-Yasuda non-Newtonian blood models in steady and oscillatory flows using the lattice Boltzmann method // Physics of Fluids (1994-present). 2007. Vol. 19, no. 9. P. 093103. DOI: 10.1063/1.2772250. (In Engl.).Bird R. B., Armstrong R. C., Hassager O. Dynamics of polymeric liquids. In 2 vols. Vol. 1. Fluid mechanics. 2nd ed. United States, 1987. 672 p.Bird R. B., Armstrong R. C., Hassager O. Dynamics of polymeric liquids. In 2 vols. Vol. 1. Fluid mechanics. 2nd ed. United States, 1987. 672 p. (In Engl.).Bludszuweit C. Model for a general mechanical blood damage prediction // Artificial Organs. 1995. Vol. 19 (7). P. 583589. DOI: 10.1111/j.1525-1594.1995.tb02385.x.Bludszuweit C. Model for a general mechanical blood damage prediction // Artificial Organs. 1995. Vol. 19 (7). P. 583– 589. DOI: 10.1111/j.1525-1594.1995.tb02385.x. (In Engl.).Blum C., Gross-Hardt S., Steinseifer U., Neidlin M. An Accelerated Thrombosis Model for Computational Fluid Dynamics Simulations in Rotary Blood Pumps // Cardiovascular Engineering and Technology. 2022. Vol. 13. DOI: 10.1007/s13239-021-00606-y.Blum C., Gross-Hardt S., Steinseifer U., Neidlin M. An Accelerated Thrombosis Model for Computational Fluid Dynamics Simulations in Rotary Blood Pumps // Cardiovascular Engineering and Technology. 2022. Vol. 13. DOI: 10.1007/s13239021-00606-y. (In Engl.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.