Progettazione e realizzazione di un nuovo ventilatore neonatale per ventilazione liquida totale

Total Liquid Ventilation (TLV) is an innovative technique for pulmonary ventilation, in which particular liquids, called perfluorocarbons (PFCs), are used to carry respiratory gases. In this work, a new prototype of a neonatal liquid ventilator, called “Pro-Li-Ve”, was designed and built. The device is made of stacked functional units (called “chambers”) which permit Pro-Li-Ve to integrate both the pumping and the oxygenating functions. Silicone membranes that are permeable to respiratory gases allow the gas exchange between the PFC and the oxygenating gas mixture. The increase in pressure into the gas chambers of the Pro-Li-Ve, instead, allows to pump a precise volume of PFC, called tidal volume (TV). The new ventilator was developed using a computational model, implemented in COMSOL Multihisycs 4.2a. This model allowed the simulation of the gas exchange of one functional unit. Studies were made to define the chambers’ optimal thickness and number. Then, the new device was built and tested. In vitro tests were performed to verify its pumping capacity. The Pro-Li-Ve was able to pump all the tidal volumes required for neonatal liquid ventilation (TV= 10-30 ml), regardless to the circuit impedance and ventilatory parameters. Gas evaluation tests were performed in vitro. The data used as reference to define the target partial pressures, were taken from an earlier in vivo test. The new prototype showed an excellent capacity to oxygenate PFC. CO2 removal was sufficient to perform liquid ventilation with TV until 22 ml. Further in vitro tests will allow to assess the Pro-Li-Ve capacity to effectively remove CO2, also for greater TV, by increasing the gas flow rate in the prototype. In vivo tests are scheduled in the next few months.

La ventilazione liquida prevede l’utilizzo di particolari fluidi, i perfluorocarburi (PFC), come vettori per il trasporto dei gas respiratori. In questo lavoro ci si è occupati della progettazione e realizzazione di un nuovo ventilatore per trattamenti di ventilazione liquida su neonati prematuri: il “Pro-Li-Ve”. Il dispositivo è composto da unità funzionali modulari, poste in parallelo che consentono di intergrare la funzione pompante con la funzione ossigenante. Membrane siliconiche permeabili ai gas respiratori, infatti, consentono lo scambio gassoso, mentre la messa in pressione del gas all’interno del dispositivo consente l’eiezione di un determinato Tidal Volume (TV) di PFC, grazie alla deformabilità di tali membrane. Il dispositivo è stato sviluppato grazie all’ausilio di un modello computazionale sviluppato con il software COMSOL Multiphysics 4.2a. Tale modello ha permesso di simulare gli scambi gassosi in una delle unità funzionali del dispositivo, consentendo di ottimizzarne il numero e lo spessore. A seguito della costruzione del nuovo ventilatore, si sono effettuati test di caratterizzazione idraulica, in cui si è verificata la capacità del Pro-Li-Ve di pompare i volumi richiesti dalla ventilazione neonatale (TV= 10-30 ml), in presenza di diverse condizioni di post-carico e al variare parametri ventilatori. Si sono effettuati, poi, test in vitro per la caratterizzazione degli scambi gassosi, prendendo come riferimento dei valori di pressioni parziali per ossigeno e anidride carbonica, ottenuti da un precendente studio in vivo. Si è provata l’ottima capacità di ossigenazione del Pro-Li-Ve e una buona efficienza di rimozione della CO2, sufficiente per trattamenti di ventilazione liquida con TV fino a 22 ml. Ulteriori test in vitro permetteranno di verificare, utilizzando una portata di gas più elevata, se è possibile raggiungere i valori di pCO2 desiderati anche per TV superiori. Nei prossimi mesi è prevista l’esecuzione di test in vivo che permetteranno di verificare l’effettiva capacità del prototipo realizzato di ventilare un modello animale sia fisiologico, sia patologico.