Multiscale and multiphysics methodologies for blood oxygenators design

Blood oxygenators act as an extracorporeal artificial lung during certain types of cardiac surgery and intensive care therapies, where it is required to support or completely replace the functioning of the patient’s lungs. Their operating principle consists in oxygen diffusion to blood through a semipermeable membrane, typically arranged in a set of hollow fibres. These fibres carry gas inside (intraluminal flow), while blood flows externally around them (extraluminal flow). Several engineering tools are used by the medical industry during oxygenators design, including experimental and computational techniques. Broadly speaking, the information gathered from these tools characterizes the blood flow field and temperature across the device, the oxygen transport through the blood stream, the structural integrity of the different components and the associated risk of blood damage during use. The scope of this research is to develop advanced methodologies for an optimized design of blood oxygenators. Some of the traditional assumptions adopted during their analysis will be revised, applying a different perspective to handle some of the problems associated with their development. New approaches will provide a better understanding of their functioning, being the ultimate goal to apply these methods in future designs with optimized efficiency. This thesis is organized on a multiscale and multiphysics perspective, combining computational fluid dynamics (CFD) and experimental microfluidics. After an introduction to the research problem and our goals (chapter I) and a historical background (chapter II), we will focus on different physical phenomena relevant to blood oxygenators. Chapters III and IV cover fluid dynamics (blood flowing around the fibers), multiphase effects of blood (cells suspended in plasma) and mass transport (O2 diffusion through blood). Moreover, chapter V investigates heat exchange (blood temperature regulation and water condensation on the gas phase). Each of them will be considered at different levels, from the device as a whole (tens of centimeters) to the red blood cells (RBC, a few microns). Finally, general conclusions and possible applications for future designs will be discussed in chapter VI. The main contributions of this work to the state-of-the-art in blood oxygenators are an innovative CFD modelling approach for an accurate description of the fibre bundle; an experimental investigation of the heterogeneous distribution of RBC around the oxygenating fibres, and a predictive model for the risk of condensation during use.

Gli ossigenatori per circolazione extracorporea agiscono come un polmone artificiale durante alcuni tipi di interventi di cardiochirurgia e terapia intensiva, in cui è necessario supportare o sostituire completamente il funzionamento dei polmoni del paziente. Il loro principio operativo consiste nella diffusione dell'ossigeno nel sangue attraverso una membrana semipermeabile, tipicamente disposta in un fascio di fibre cave. Queste fibre trasportano gas all'interno (flusso intraluminale), mentre il sangue scorre esternamente attorno a loro (flusso extraluminale). Diversi strumenti di ingegneria sono utilizzati dall'industria medica durante la progettazione degli ossigenatori, comprese le tecniche sperimentali e computazionali. In generale, le informazioni raccolte da questi strumenti caratterizzano il campo di flusso del sangue e la sua temperatura attraverso il dispositivo, il trasporto di ossigeno attraverso il flusso sanguigno, l'integrità strutturale dei diversi componenti e il rischio associato di danni del sangue durante l'uso. Lo scopo di questa ricerca è sviluppare metodologie avanzate per una progettazione ottimizzata di ossigenatori. Alcune delle ipotesi tradizionali adottate durante la loro analisi saranno riviste, applicando una prospettiva diversa per gestire alcuni dei problemi associati al loro sviluppo. Nuovi approcci forniranno una migliore comprensione del loro funzionamento, essendo l'obiettivo finale di applicare questi metodi nei progetti futuri con efficienza ottimizzata. Questa tesi è organizzata su una prospettiva multiscala e multifisica, combinando fluidodinamica computazionale (CFD) e microfluidica sperimentale. Dopo un'introduzione al problema della ricerca e ai nostri obiettivi (capitolo I) e uno sfondo storico (capitolo II), diversi fenomeni fisici rilevanti per gli ossigenatori verrano analizzati. I capitoli III e IV riguardano la fluido dinamica (sangue che scorre intorno alle fibre), gli effetti multifase del sangue (cellule sospese nel plasma) e il trasporto di massa (diffusione di O2 attraverso il sangue). Inoltre, il capitolo V studia lo scambio di calore (regolazione della temperatura del sangue e condensazione nella fase gassosa). Ognuno di essi sarà considerato a diversi livelli, dal dispositivo nel suo complesso (decine di centimetri) ai globuli rossi (micron). Infine, le conclusioni generali e le possibili applicazioni per i progetti futuri saranno discusse nel capitolo VI. I principali contributi di questo lavoro allo stato dell'arte degli ossigenatori sono un approccio innovativo di modellizzazione CFD per una descrizione accurata del fascio di fibre; uno studio sperimentale sulla distribuzione eterogenea dei globuli rossi intorno alle fibre ossigenanti e un modello predittivo per il rischio di condensazione durante l'uso.