Caratterizzazione fluidodinamica e valutazione dell'emolisi della pompa CentriMag: analisi computazionale e sperimentale

For the development of ventricular assist devices, it is essential to evaluate the degree of hemolysis produced, with the aim of minimizing it. Hemolysis consists of the rupture of the red blood cell membrane, which causes cell lysis and the release of hemoglobin into the plasma[1]. The prediction of hemolysis through computational models represents a very useful approach; however, they require in vitro validation. In this context, the present thesis aims to design and validate a computational fluid dynamics model of the CentriMag centrifugal pump, together with the realization of an experimental setup for the evaluation of the hydraulic and hemolytic performance of the device. For the numerical evaluation of the pump, aimed at reproducing its characteristic curve, the fluid domain was extracted from the three-dimensional geometry to generate the mesh and the fluid dynamic set-up was defined. The wall shear stress, pressure and velocity fields, hydraulic efficiency, and a preliminary estimation of the Modified Index of Hemolysis (MIH) were then evaluated. Following the ASTM F1841-19 standard[2], an experimental setup was built to reconstruct the characteristic curve of the pump and perform in vitro tests for the MIH calculation. The construction of the circuit required the design of biocompatible components, produced using 3D printing. The accuracy of the results obtained in this thesis highlighted the suitability of the numerical model to characterize the hydraulic and hemolytic behavior of the CentriMag. These findings, together with the in vitro set-up established for hemolysis evaluation, represent a solid basis for the development and validation of novel computational models for hemolysis assessment.

Per lo sviluppo di dispositivi di assistenza ventricolare è fondamentale valutare il grado di emolisi prodotta, con l’obiettivo di ridurla al minimo. L’emolisi consiste nella rottura della membrana eritrocitaria, che comporta la lisi del globulo rosso e il rilascio dell’emoglobina nel plasma[1]. La predizione dell’emolisi mediante modelli computazionali rappresenta un approccio estremamente vantaggioso; tuttavia, richiede una loro validazione tramite verifica in vitro. In questo contesto si inserisce il presente studio di tesi, il cui obiettivo è la progettazione e validazione di un modello di fluidodinamica computazionale relativo alla pompa centrifuga CentriMag, con la realizzazione di un set-up sperimentale per la valutazione delle prestazioni idrauliche ed emolitiche del dispositivo. Per la valutazione numerica della pompa, mirata alla riproduzione della sua curva caratteristica, è stato estrapolato il dominio fluido a partire dalla geometria tridimensionale, con lo scopo di generare una mesh, e è stato definito un set-up fluidodinamico adatto. Sono stati analizzati gli sforzi di taglio alle pareti, le pressioni e le velocità, insieme anche all’efficienza idraulica e ad una stima preliminare dell’indice modificato di emolisi (MIH). Seguendo lo standard ASTM F1841-19 [2]è stato poi realizzato un set-up sperimentale per ricostruire la curva caratteristica della pompa e permettere lo svolgimento di test in vitro per il calcolo dell’MIH. La costruzione del circuito ha richiesto la progettazione di componenti biocompatibili, realizzati tramite stampa 3D. L’accuratezza dei risultati ottenuti in questo lavoro di tesi ha dimostrato l’adeguatezza del modello numerico per caratterizzare il comportamento idraulico ed emolitico della CentriMag. Questo, insieme al set-up sperimentale progettato, confermano la validità dello studio come base per lo sviluppo e la validazione di nuovi modelli computazionali per la valutazione dell’emolisi.