Progettazione e realizzazione di un setup sperimentale per la generazione controllata di microbolle per test di dispositivi biomedici

The presence of microbubbles into a patient’s circulatory system may result in serious or fatal effects. Therefore, given the importance of gaseous microemboli (GME) elimination from extracorporeal circulation system, it is necessary to correctly test the efficacy of biomedical devices for this purpose. The absence of a specific solution to test the arterial line filters (ALF) has inspired this thesis, whose aim is to design and create an experimental setup for a controlled microbubbles generation, coupled with a computational study on their distribution over the cross section of a prismatic channel. The device described here consists of a square sectioned acrylic duct, where water flows and where a micropipette (diameter 3 μm) tip is inserted to generate microbubbles. The GME quantitative has been made through appropriate image processing analysis techniques within Matlab environment. The effect of air pressure, water velocity and salt presence on the microemboli size have been investigated. The study demonstrated that increasing water velocity induce reduction in bubbles size, while opposite dependency was observed for the air pressure in the micropipette. Moreover, larger salt content in water produces a reduction of the microbubbles dimension. Depending on the generation conditions, the obtained bubbles had a mean diameter that ranges from 200 μm to 400 μm, with an overall dimensional variability less then 15%. It was also verified that the optimal setup geometry where an homogeneous cross distribution of GME is obtained consists in a prismatic channel with a vertical cylindrical obstacle, with a height equal to the duct one, placed upstream of the bubble injection point. The obtained device offers the advantage of generating uniform bubbles with a limited dimensional variability and thus it is a valid tool for studying gaseous emboli and for testing biomedical devices that require their generation.

La presenza di microbolle nella circolazione corporea di un paziente può avere effetti gravi o letali. Per l’eliminazione di microemboli gassosi (GME) dai sistemi di circolazione extracorporea, è quindi importante testare correttamente l’efficacia dei dispositivi biomedici atti a questo scopo. L’assenza di una soluzione specifica per testare i filtri per la linea arteriosa (ALF) ha ispirato il presente lavoro di tesi, che si propone di progettare e realizzare un setup sperimentale per la generazione controllata di microbolle, corredata di uno studio computazionale sulla loro distribuzione sulla sezione trasversale di un condotto prismatico. Il dispositivo realizzato consiste in un condotto acrilico a sezione quadrata in cui scorre acqua ed in cui è stata inserita trasversalmente una micropipetta con punta di 3 μm. Il dimensionamento dei GME è stato realizzato mediante tecnica di analisi di immagini basata su algoritmo in ambiente Matlab. È stato quindi investigato l’effetto che la pressione dell’aria, la velocità del flusso d’acqua e la durezza di quest’ultima hanno sulla dimensione dei microemboli ottenuti. Lo studio ha dimostrato che l’aumento della velocità del flusso d’acqua agente sulla micropipetta comporta una diminuzione della dimensione delle bolle, al contrario dell’effetto generato da un aumento della pressione d’aria. Inoltre, un aumento della durezza dell’acqua comporta una variazione del valore di tensione superficiale acqua-aria, con conseguente riduzione dimensionale delle microbolle ottenute. Per le diverse condizioni di generazione esplorate, sono state ottenute bolle con diametri medi compresi tra 200 μm e 400 μm, con una variabilità entro 15%. È stato inoltre verificato che la geometria ottimale per giungere ad una distribuzione trasversale omogenea dei GME sia un condotto prismatico con un ostacolo cilindrico verticale, di altezza pari a quella del condotto, posto a monte del punto di immissione delle bolle. Il dispositivo realizzato offre il vantaggio di generare bolle uniformi con variabilità dimensionale contenuta e risulta quindi uno strumento valido per lo studio di emboli gassosi e per il test dei dispositivi biomedici deputati alla loro separazione.