TPMS

Oct 21, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 7160(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

막 폐는 묶음으로 함께 포장된 수천 개의 중공 섬유 막으로 구성됩니다. 과도하게 높은 흐름과 정체된 흐름 영역을 포함하여 멤브레인 번들을 통한 불균일한 흐름으로 인해 장치가 종종 합병증을 겪습니다. 여기에서는 TPMS(Triple Periodic Minimal Surface)를 기반으로 하는 멤브레인 모듈을 포함하는 멤브레인 폐에 대한 개념 증명 설계를 제시합니다. 원래의 TPMS 형상을 뒤틀어 모듈의 모든 영역 내에서 국지적 투과성을 높이거나 낮출 수 있어 장치를 통한 혈류 분포를 조정할 수 있습니다. 계산 다공성 도메인 내부의 흐름 방향 투과성 분포를 결정하기 위한 반복적 최적화 방식을 생성함으로써 시뮬레이션을 통해 원하는 TPMS 요소 격자 형태가 결정되었습니다. 이 원하는 형태는 프로토타입 장치의 CAD(컴퓨터 지원 설계) 모델로 변환되었습니다. 그런 다음 산업 표준 예측 장치에 대해 새로운 디자인을 테스트하기 위해 적층 제조를 통해 장치를 생산했습니다. 흐름 분포는 검증 가능하게 균질화되었고 체류 시간은 감소하여 보다 효율적인 성능과 혈전증에 대한 저항력 증가를 약속했습니다. 이 연구는 TPMS가 의료 기기 교환 프로세스의 새로운 구성 요소 역할을 할 수 있는 유망한 정도를 보여줍니다.

중공사막은 수십 년 동안 다양한 기술 및 산업 막 분리 공정의 산업 표준이었습니다1,2. 많은 현대 의학 치료법은 이러한 종류의 막 분리 과정을 기반으로 하며, 기본 장기 기능을 지원하기 위해 환자의 혈액을 막 모듈로 보냅니다. 신장 대체 요법3, 인공 체외 간 보조 장치4 또는 체외 폐 보조기(ECLA)5와 같은 치료법은 많은 환자들에게 인기 있는 치료 옵션입니다. 서로 다르지만 이들 치료법은 각각 막 분리 과정에 따라 달라집니다. 마찬가지로, 각 치료법에 사용되는 장치에는 고유한 요구 사항이 있지만 적절한 교환 효율은 어디에나 존재하는 설계 요구 사항이며 중공사막 다발을 통과하는 흐름의 균질성에 크게 좌우됩니다.

막 폐에서 속도 불균일성은 섬유 다발에 불균일하게 혈류를 유입하고 유입하는 입구 및 출구 기하학적 구조의 결과로 가장 일반적으로 발생합니다. 전반적으로 이러한 불균일한 흐름 분포는 장치 성능에 여러 가지 부정적인 영향을 미칩니다. 첫째, 이는 혈액을 높은 전단 응력에 노출시키고 적혈구 손상과 혈소판 활성화를 유발하는 다발 내에 고속 흐름 영역을 생성합니다6. 둘째, 정체 지역에서는 포화된 혈액이 제거되지 않는 동안 션트 흐름이 발생하여 가스 교환 표면적을 충분히 활용하지 못할 수 있습니다7,8,9. 이는 장치의 전반적인 교환 효율성을 감소시킵니다. 마지막으로, 불균일한 흐름장은 흐름이 낮거나 정체되는 영역을 초래하여 섬유 다발10,11에서 혈전이 형성될 수 있습니다. 단순히 장치의 교환 표면을 막는 것 외에도 이러한 혈전은 색전증을 일으키고 장치의 기계적 고장을 일으키거나 심지어 환자에게 부작용을 일으킬 수도 있습니다12,13,14,15. 실제로, 산소공급기 혈전은 체외막 산소화(ECMO)의 주요 기계적 합병증 중 하나로 밝혀졌으며, 한 리뷰 논문에서는 1,473건의 사례 중 20%의 응고율이 밝혀졌습니다16.

현대의 섬유막 번들은 중앙 코어 주위에 감겨 있거나 수직으로 서로 쌓인 중공 섬유 매트로 구성됩니다. 막 폐에서 혈류는 섬유의 외부 관강을 중심으로 흐르고, 가스는 섬유 내부를 통해 흐릅니다. 그러나 섬유 뭉치를 통해 흐르는 혈액은 독특한 문제를 안겨줍니다. 형태에 관계없이 중공 섬유를 막 모듈의 구성 요소로 사용하면 모든 막 폐에 대한 한 가지 주요 결과, 즉 흐름에 대한 균일한 저항이 발생합니다. 이러한 균일한 저항은 중공 섬유의 균일한 기하학적 구조와 섬유 매트의 좁고 균일한 간격 배열의 결과입니다. 이를 고려하는 또 다른 방법은 일반적으로 시뮬레이션 목적으로 모델링되는 섬유 다발의 유체 투과성을 다공성 매체로 논의하는 것입니다. 흐름 경로의 기하학적 구조에만 의존하는 투과성 Kperm은 압력 손실 \(\frac{\partial p}{\partial {x}_{i}}\)과 특정 표면 속도를 비교합니다. Darcy의 법칙19을 통해 크리핑 흐름의 방향: