Влияние режима работы центробежного насоса систем экстракорпоральной мембранной оксигенации на повреждение крови в нем

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. 

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Köhne I. Haemolysis induced by mechanical circulatory support devices: unsolved problems // Perfusion. 2020. Vol. 35 (6). P. 474–483. DOI: 10.1177/0267659120931307.

10. Боярский Г. Г. Разработка метода проектирования микронасосов для систем поддержки кровообращения: дис. … канд. техн. наук. Москва, 2022. 125 с.

11. 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.

12. Najean Y., Dresch C. Physiologie de l'hйmolyse // Revue du Praticien. 1965. Vol. 15 (23). P. 2989–2994.

13. Левтов В. А., Регидер С. А., Шадрина Н. Х. Реология крови. Москва: Медицина, 1982. 269 с.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. Asakura H. [Pathophysiology and classification of thrombosis] // Nihon Rinsho. Japanese Journal of Clinical Medicine. 2014. Vol. 72 (7). P. 1184–1190.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.