Gast ::
| 001 | 1004690 | ||
| 005 | 20251006102125.0 | ||
| 024 | 7 | _ | |2 HBZ |a HT030964964 |
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| 024 | 7 | _ | |2 datacite_doi |a 10.18154/RWTH-2025-01571 |
| 037 | _ | _ | |a RWTH-2025-01571 |
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| 082 | _ | _ | |a 620 |
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| 245 | _ | _ | |a Hemodynamics in blood-contacting devices with triply periodic minimal surfaces for extracorporeal blood therapies |c vorgelegt von Lukas Tobias Hirschwald |h online |
| 246 | _ | 3 | |a Hämodynamik in blutkontaktierenden Apparaten mit dreifach periodischen Minimaloberflächen für extrakorporale Bluttherapien |y German |
| 260 | _ | _ | |a Aachen |b RWTH Aachen University |c 2025 |
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| 336 | 7 | _ | |0 PUB:(DE-HGF)11 |2 PUB:(DE-HGF) |a Dissertation / PhD Thesis |b phd |m phd |
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| 490 | 0 | _ | |a Aachener Verfahrenstechnik series - AVT.CVT - Chemical process engineering |v 50 |
| 500 | _ | _ | |a Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University |
| 502 | _ | _ | |a Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025 |b Dissertation |c Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen |d 2025 |g Fak04 |o 2025-02-17 |
| 520 | 3 | _ | |a Extrakorporale Organunterstützungssysteme sind bei Lungen- oder Nierenversagen lebensrettend. Sie überbrücken die Zeit bis zur Heilung oder Transplantation des Organs, was Wochen bis Monate dauern kann. Diese Systeme ersetzen die Funktion des Organs, indem sie Atemgase oder unerwünschte Stoffe über Hohlfasermembranen austauschen. Während die kurzfristige Unterstützung im Allgemeinen als sicher gilt, führt die langfristige Anwendung oft zu schweren Komplikationen. Bisher hat sich die Forschung auf die Verbesserung der Biokompatibilität der Membran konzentriert, um Immunreaktionen zu verringern, die Blutgerinnung auslösen und schließlich zu einer Fehlfunktion des Systems führen. Aber auch unphysiologische Strömungsbedingungen lösen Blutgerinnung aus. Darüber hinaus leiden kommerzielle Systeme an ungleichmäßigen Strömungsverteilung, die zu einer breiten Verweilzeitverteilung (RTD) und unausgewogenen Stoffaustauschtriebkräften führen. Um die volle Leistungsfähigkeit des Systems auszuschöpfen, sind gleichmäßige Verweilzeiten und homogene Triebkräfte unerlässlich. Neuerdings sind dreifach periodische Minimaloberflächen (TPMS) als neuartige Topologien zum Ersatz von Hohlfasermembranen in blutkontaktierenden Systemen bekannt geworden. Sie bieten mehr Designfreiheit und erhöhen den Stoffaustausch bei weniger künstlicher Oberfläche, indem sie Sekundärströmungen erzeugen, die Grenzschichteffekte reduzieren. Der Einfluss von TPMS Topologien auf die Hämodynamik wurde jedoch bisher kaum erforscht. In dieser Arbeit habe ich Strömungssimulationen, Experimente mit menschlichem Vollblut, und simulative Optimierung angewandt, um die Hämodynamik in unterschiedlichen Modulen mit isometrischer und anisometrischer TPMS Topologie im Vergleich zu einer tubulären Konstruktion zu untersuchen und zu optimieren. Die Simulationen, validiert durch RTD-Experimente, verdeutlichten die vorteilhafte TPMS Topologie, die die Flussverteilung erheblich verbesserte. Durch Computertomographieaufnahmen im Anschluss an die Experimente wurden die Position und das Volumen der gebildeten Blutgerinnsel visualisiert und quantifiziert. Die Positionen entsprachen weitgehend den in den Simulationen vorhergesagten Regionen mit erhöhten Scherraten, was die Bedeutung der physiologischen Hämodynamik betont. Darüber hinaus zeigte das Volumen signifikant weniger Koagulation im anisometrischen TPMS Modul im Vergleich zum tubulären Modul. Eine weitere Verbesserung der RTD wurde simulativ durch Bayes'sche Optimierung erreicht, indem das Modulvolumen in unabhängige Domänen unterteilt und die Permeabilität der Domänen variiert wurde. Mit diesem Verfahren kann die RTD optimal auf eine gegebene äußere Form, z.B. einen Lungenflügel, angepasst werden. Insgesamt zeigte meine Arbeit, dass anisometrische TPMS Topologien mit anisotropen Eigenschaften das Potential haben, die Hämodynamik in blutkontaktierenden Systemen erheblich zu verbessern. Der Einsatz anisometrischer TPMS als Ersatz für Hohlfasermembranen könnte die langfristige Anwendung und sogar die Implantierbarkeit von Lungen- oder Nierenersatzsystemen einen entscheidenden Schritt voranbringen. |l ger |
| 520 | _ | _ | |a Extracorporeal organ support devices are life-saving in cases of lung or kidney failure. They bridge the time until the organ heals or is transplanted, which can take weeks or months. These support devices replace the organ's function by exchanging breathing gases or unwanted species over hollow fiber membranes. While short-term support is generally considered safe, long-term application often leads to severe complications. Until now, research has focused on improving biocompatibility by modifying the membrane's surface to reduce immune reactions that trigger blood clotting and eventually cause the device to malfunction. However, unphysiological flow conditions also trigger blood clotting. Additionally, commercial support devices suffer from an uneven flow distribution that leads to a broad residence time distribution (RTD) and unbalanced mass transfer driving forces. In order to exploit the device's full capacity, uniform residence times and homogeneous driving forces are essential. Recently, triply periodic minimal surfaces (TPMS) have emerged as novel topologies to substitute hollow fiber membranes in blood-contacting devices. They offer more design freedom and increase mass transfer at lesser artificial surfaces by introducing secondary flows that reduce boundary layer effects. However, the influence of TPMS topologies on hemodynamics have hardly been investigated. In this thesis, I employed computational fluid dynamics simulations, human whole blood experiments, and simulative optimization to evaluate and optimize the hemodynamics in differently designed modules with isometric and anisometric TPMS topology compared to a conventional tubular architecture. The simulations, validated by RTD experiments, highlighted the advantageous topology of TPMS that notably enhanced the flow distribution. By post-experimental computed tomography scanning, the location and amount of formed blood clots were visualized and quantified. The blood clot locations largely matched regions of elevated shear rates predicted by the simulations, emphasizing the importance of physiological hemodynamics. Furthermore, the blood clot amounts revealed significantly less clotting in the anisometric TPMS module compared to the tubular module. Further improvement of the RTD was simulatively achieved through Bayesian optimization by subdividing the module's fluid volume into independent domains and varying the domains' permeability. With this procedure, the RTD can be optimally tailored within a given external shape, e.g., a lung lobe, to enable the design of patient-individualized devices. Overall, my work demonstrated that anisometric TPMS topologies with anisotropic properties have the potential to significantly improve hemodynamics in blood-con\-tacting devices. Deploying anisometric TPMS as substitutes for hollow fiber membranes could be a major step forward in the long-term application and even implantability of lung or kidney replacement systems. |l eng |
| 536 | _ | _ | |0 G:(GEPRIS)347368182 |a DFG project G:(GEPRIS)347368182 - 3DLung - Implantierbare künstliche Lunge auf Basis von dreidimensionalen Membranen (347368182) |c 347368182 |x 0 |
| 536 | _ | _ | |0 G:(GEPRIS)313779459 |a SPP 2014: Auf dem Weg zur implantierbaren Lunge |c 313779459 |x 1 |
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