Valutazione del potenziale trombogenico di una nuova pompa centrifuga per procedure di bypass cardiopolmonare in neonatologia

The neonatal centrifugal pumps’ development represents an important challenge in the medical field, as neonatal patients require specific cardiopulmonary assistance tailored to their needs. The availability of neonatal blood pumps for cardio pulmonary bypass procedures is still very limited. This is due to the complexity of the design and production of these pumps, which require a high level of precision and reliability to ensure patient's safety. Additionally, the lower frequency of neonatal and pediatric cardiovascular interventions compared to adults makes it less convenient for manufacturing companies to invest in the research and development of this type of pumps. For this reason, the use of adult pumps in neonatal patients is preferred, however, they require a larger priming volume and may cause an increased risk of clinically significant adverse events such as the formation of clots and thrombi. In this contest Eurosets has developed a new born levitating centrifugal pump. This study aims to characterize the new neonatal pump through fluid dynamic simulations, evaluating three different operating configurations, namely NB_PL1 (2500 rpm and 0.5 l/min), NB_PL2 (3000 rpm and 2 l/min), NB_PL3 (3500 rpm and 1 l/min). In addition, assuming the same working point and equal usage time, the performance of the new pump and the Eurosets' adult pump is compared. In particular, the thrombogenic potential of the neonatal and adult pumps is evaluated using the Platelets Activation State (PAS) index through the particle tracking approach. The results show that the pump's rotation speed plays a predominant role. In fact, the calculated fluid dynamic quantities, e. g. wall shear stress and scalar stress, and the PAS index, are higher in NB_PL3. On the other hand, the higher rotation speed allows for better blood recirculation inside the pump, thus reducing stagnation zones. Up to 0.4 s of usage, the comparison between the neonatal and adult pump shows that the use of the neonatal pump produces a higher platelet activation. This is due to the higher scalar stresses produced by the fluid flow throw a smaller volume. Although the adult pump seems to be preferred, the larger volume entails more stagnation zones and a higher residence time of platelets inside the device, which could lead to an increase in platelet activation levels. Therefore, it is important to continue monitoring PAS values over time to evaluate the impact that residence time has on platelet activation inside the device. Finally, to evaluate the thrombogenic potential of the neonatal pump an experimental setup is created for the PAS assay procedure. The set-up includes two flow-loop to compare the new born Eurosets and PediVas Abbott pumps, the latter ii widely used nowadays. The flow-loop is designed to minimize priming volume in order to use a smaller amount of blood and platelets. In fact, the after load is given by small tubes with a diameter of 3,5 mm. Also, the correct length of the tubes is determined by a preliminary test, to achieve the ∆P value of the chosen working point (Q = 1 l/min, ∆P = 250 mmHg). The circuit provides a system for the insertion and withdrawal of platelet samples to perform the PAS assay. Furthermore, to ensure the precision and reliability of the data, a careful procedure for bubble removal is performed. Two pressure gauges and a flow meter are used to constantly monitor the pressure across the pump and the flow rate output. Finally, the circuit is easy to handle and use, thanks to the simplicity of its components. In conclusion, this study has provided important information on Eurosets’ new born levitating centrifugal pump, with the aim of improving the design and development of such pumps to enhance the healthcare quality of neonatal patients.

La progettazione di pompe centrifughe neonatali rappresenta una sfida importante in campo medico, poiché i pazienti neonatali necessitano di un'assistenza cardiopolmonare specifica e adattata alle loro esigenze. La disponibilità di pompe per il sangue neonatali per procedure di bypass cardio-polmonare è ancora molto limitata. Ciò è dovuto alla complessità della progettazione e della produzione di queste pompe, che richiedono un elevato livello di precisione e affidabilità per garantire la sicurezza del paziente. Inoltre, la bassa frequenza di interventi cardiovascolari neonatali e pediatrici rispetto a quelli adulti rende meno conveniente per le aziende produttrici investire nella ricerca e sviluppo di questa tipologia di pompe. Per tale motivo, si predilige l’utilizzo di pompe per adulti che richiedono, tuttavia, un maggiore volume di priming e possono causare un aumento del rischio di eventi avversi clinicamente significativi come la formazione di coaguli e trombi. Con l'obiettivo di fornire una soluzione efficace a tale sfida, l'azienda Eurosets ha sviluppato una nuova pompa centrifuga neonatale a levitazione magnetica. Questo studio ha lo scopo di caratterizzare la nuova pompa neonatale attraverso simulazioni fluidodinamiche, valutando tre diverse configurazioni operative, NB_PL1(2500 rpm e 0,5 l/min), NB_PL2 (3000 rpm e 2 l/min), NB_PL3 (3500 rpm e 1 l/min), e di confrontare le prestazioni della nuova pompa con quelle della pompa adulta di Eurosets, per uno stesso punto di lavoro e a parità tempo di utilizzo. In particolare, viene valutato il potenziale trombogenico della pompa neonatale e adulta utilizzando l'indice Platelets Activation State (PAS) tramite l'approccio del particle tracking. I risultati dimostrano che la velocità di rotazione della pompa gioca un ruolo predominante; infatti, le grandezze fluidodinamiche calcolate, come Wall Shear Stress (WSS) e Scalar Stress (SS), e l’indice PAS risultano essere maggiori in NB_PL3. D’altro canto, la velocità di rotazione più elevata permette un migliore ricircolo del sangue all’interno della pompa, riducendo le zone di stagnazione. Dal confronto tra la pompa neonatale e adulta, valutando i risultati fino a 0,5 s di utilizzo, è emerso che l’uso della pompa neonatale crea una maggiore attivazione piastrinica a causa dei maggiori valori di SS, causati dal passaggio del fluido all’interno di un volume del doppio più piccolo rispetto alla pompa adulta. Sebbene i risultati estratti fino a 0,5 s di utilizzo siano a favore dell'uso della pompa adulta, il maggiore volume comporta maggiori zone di stagnazione e un più elevato tempo di residenza delle piastrine all’interno del dispositivo, che potrebbero portare a un aumento del livello di attivazione piastrinica. In definitiva, la scelta tra l'uso della iv pompa neonatale o adulta per la circolazione extracorporea in pazienti neonatali basata sui i risultati a breve termine potrebbe risultare fuorviante e portare a una sottostima del potenziale trombogenico della pompa adulta. Infine, si è progettato e realizzato un set-up sperimentale che comprende due flow loop in parallelo per confrontare la trombogenicità della nuova pompa neonatale di Eurosets e della pompa PediVas di Abbott, la pompa pediatrica più diffusa e utilizzata oggi. Il circuito viene realizzato con l’obiettivo di minimizzare il volume di priming, in modo da utilizzare una minore quantità di sangue per effettuare il test su entrambi i circuiti, disponendo comunque di un numero adeguato di piastrine. Per questo si sceglie di utilizzare come post carico dei tubi dal diametro di 3,5 mm e lunghezza 217 cm, correttamente dimensionati in modo da restituire il ∆P richiesto dal punto di lavoro scelto (Q = 1 l/min, ∆P = 250 mmHg). Il circuito viene progettato per effettuare il PAS assay, quindi viene realizzato un sistema per l’inserimento e il prelievo dei campioni piastrinici durante l’esperimento. Inoltre, per la precisione e l’affidabilità dei dati, viene effettuata una procedura attenta di rimozione delle bolle all’interno dei flow-loop e, per monitorare costantemente la pressione a cavallo della pompa e il flusso in uscita, vengono inseriti due manometri e un flussimetro come strumenti di controllo. Infine, per la semplicità dei componenti che lo costituiscono, il circuito risulta maneggevole e facile da utilizzare, garantendo un maggiore controllo. In conclusione, lo studio fornisce importanti informazioni sulla nuova pompa neonatale a levitazione magnetica di Eurosets, e permette di ampliare le conoscenze riguardo la progettazione e lo sviluppo di questa tipologia di pompe, con l'obiettivo di migliorare la qualità dell'assistenza sanitaria della popolazione neonatale.