Fluidodinamica del sangue in un micro-scambiatore a fascio tubiero : analisi sperimentale e computazionale della distribuzione di globuli rossi

The main purpose of an oxygenator is to replicate these physiological gas exchanges, supplying oxygen and taking carbon dioxide away from the blood in the right quantities. Modern oxygenators are composed of hollow microporous fibers inside which the oxygenating gas flows, outside the blood flows against the current and, thanks to secondary flows generated by the arrangement of the fibers, it is oxygenated. The behaviour of the fluid inside the device highly affects the gas transport: the complex fluid dynamic patterns generated inside the micro-channels of the oxygenator can in fact influence the performance of the device. The main objectives of this project are to demonstrate qualitatively and quantitatively the presence of a heterogeneous distribution of erythrocytes in the micro-channel, to assess whether and how the geometry of the micro-channel affects this distribution and to develop a 3D computational model. Three micro-channel geometries have been designed (P1, P2, P3), different for some dimensions, perfused with the PBS and four suspensions of red blood cells and PBS, different in the haematocrit concentration (5%, 10%, 20% and 40%). Both experimentally and computationally, plots of the variation of the hematocrit percentage were drawn along three lines of unit thickness perpendicular to the direction of the flow: the colour maps of the acquired images and of the conducted simulations were created, respectively with MATLAB and ANSYS Fluent 19.1, with the aim of comparing the results obtained. A heterogeneous distribution of erythrocytes in the channel has been found and different flow patterns have been identified in the three geometries. The computational model gives very satisfactory results regarding the P1 geometry, while other experimental studies are needed to understand the true nature of the development of the flow patterns developed in the other two geometries, in such a way as to have a theoretical basis on which to start new computational studies.

Lo scopo principale di un ossigenatore è replicare gli scambi gassosi fisiologici, fornendo ossigeno e prelevando anidride carbonica dal sangue nelle giuste quantità. Gli ossigenatori moderni sono composti da fibre cave microporose al cui interno scorre il gas ossigenante, all’esterno il sangue scorre controcorrente e, grazie a flussi secondari generati dalla disposizione delle fibre, viene ossigenato. Ciò che influisce molto sul trasporto di gas è il comportamento del fluido all’interno del dispositivo: all’interno dei micro-canali dell’ossigenatore infatti si generano pattern fluidodinamici complessi che possono influire sulla performance del dispositivo. Gli obiettivi principali di questo progetto sono dimostrare qualitativamente e quantitativamente la presenza di una distribuzione eterogenea degli eritrociti nel micro-canale, valutare se e come la geometria del micro-canale influisca su tale distribuzione e sviluppare un modello computazionale 3D. Sono state dunque considerate tre geometrie del micro-canale (P1, P2 e P3), differenti in alcune dimensioni, infuse con PBS e quattro sospensioni di globuli rossi e PBS, differenti nella concentrazione d’ematocrito (5%, 10%, 20% e 40%). Sia sperimentalmente che computazionalmente sono stati tracciati dei grafici della variazione della percentuale d’ematocrito lungo tre linee di spessore unitario perpendicolari alla direzione del flusso e sono state create le mappe colore delle immagini acquisite e delle simulazioni condotte, rispettivamente con MATLAB e ANSYS Fluent 19.1, con l’obiettivo di confrontare i risultati ottenuti. Sperimentalmente è stata dimostrata la presenza di una distribuzione eterogenea degli eritrociti nel canale e sono stati individuati differenti pattern di flusso nelle tre geometrie. Il modello computazionale riesce a replicare bene il comportamento osservato nella geometria P1, mentre sono necessari ulteriori studi sperimentali per comprendere la vera natura dello sviluppo dei pattern di flusso presenti nelle altre due geometrie, in maniera tale da poter avere una base teorica su cui iniziare nuovi studi computazionali.