Carbon dioxide transfer in a minimal ivasive liquid lung - mathematical description and experimental evaluation

Abstract

Chronische und akute Lungenerkrankungen führen bis heute weltweit zu einer Vielzahl von gesundheitlichen Beschwerden und Todesfällen. Zur Behandlung von Lungenversagen kann die natürliche Lungenfunktion unterstützt werden, um den benötigten Sauerstoff und Kohlendioxidaustausch zwischen Blut und geatmeter Luft zu erreichen. Heutzutage werden dazu meistens mechanische Beatmungsmaschinen eingesetzt, die jedoch mit gesundheitlichen Risiken verbunden sind. Diese Arbeit untersucht den CO2 Transport in einer para-korporalen künstlichen Lunge, die die Funktion der menschlichen Lunge für mehrere Wochen unterstützen soll. Diese künstliche Lunge, auch "Minimal Invasive Liquid Lung" (MILL) genannt, besteht aus einem Hohlfasermodul mit einer Vielzahl von Oxyplus® PMP Fasern, das in der unteren Hohlvene (vena cava) des Patienten platziert wird. Um das überschüssige CO2 aus dem Blut aufzunehmen und O2 abzugeben, werden die Substanzen O2 und PFC untersucht. Als Erstes wird in dieser Arbeit ein mathematisches Modell erstellt, um den CO2 Transport in der MILL für Gleich- und Gegenstrom und variierende Modulkonfigurationen, Dimensionen, Durchflussraten und Fluid-Eigenschaften zu prognostizieren. Im zweiten Schritt werden Experimente durchgeführt, um angestellte Vermutungen im Modell zu verifizieren und die Berechnungen mit experimentellen Ergebnissen vergleichen zu können. Die Ergebnisse des Modells zeigen, dass die Verwendung von O2 statt PFC zu ca. 6-7 mal höheren CO2 Durchflussraten führt. Grund dafür ist die mit PFC gefüllte poröse Stützschicht im PFC-Modul, die als Hauptwiderstand des CO2 Transports wirkt. Im Vergleich dazu stellen im O2-Modul die blutseitige Konzentrationspolarisation und die Abnahme des CO2 Partialdrucks über die Länge der Membrane die größten Widerstände dar. Der Widerstand der porösen Stützschicht ist im Modul mit O2 vernachlässigbar klein. Die Kombination aus O2 und PFC führt zu einer Modulvariante, die die Vorteile beider Module nutzt. Mit dem O2 Modul und dem kombiniertem O2/PFC Modul konnten Durchflussraten von über 30 ml/min CO2 mit realistischen Eingabewerten prognostiziert werden. Mit dem PFC Modul konnte das Ziel von 30 ml/min nicht erreicht werden, ohne die Dimensionen und Eigenschaften der porösen Stützstruktur drastisch zu ändern. Die durchgeführten Experimente konnten die angestellten Vermutungen im Modell bekräftigen. Die Versuche mit Schweineblut führten zu einem CO2 Transport von 30-40 ml/min. Für PFC liegt der Bereich zwischen 7 und 11 ml/min. Der Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit den Berechnungen zeigt, dass das entwickelte mathematische Modell den CO2 Transport in der MILL für variierende Blut- und Fluideigenschaften und Modellkonfigurationen gut prognostiziert.

Lung diseases, whether acute or chronic, remain a major healthcare problem in the world. For patients that suffer from respiratory failures, natural ventilation can be assisted to achieve the necessary gas exchange between blood and breathed air. Today, the lung function is most often supported by mechanical ventilation, although this method involves severe risks. This thesis investigates the CO2 transport in a para-corporeal device called Minimal Invasive Liquid Lung (MILL), which is able to support the function of the lung for several weeks. Part of the MILL is a hollow fibre membrane module, consisting out of a bundle of Oxyplus® PMP fibres, which is placed in the vena cava. Its goal is to provide O2 and remove CO2 from the blood. This work focuses on O2 and liquid perfluorocarbons (PFC) as transportation fluid. First, a mathematical model is developed that predicts the CO2 gas exchange in the MILL for co- and counter-current operation, varying module configurations and geometries, flow rates and fluid properties. Secondly, several experiments are conducted to verify the assumptions and results from the calculations. These experiments include pure gas permeation tests with Oxyplus® PMP membranes, SEM and EDX analysis of the fibres, as well as porcine blood experiments to simulate real applications. The mathematical model showed that the use of O2 results in approximately 6-7 higher fluxes than the use of PFC. This difference has been attributed to the porous layer of the Oxyplus® membrane, which acts as a major resistance, if filled with PFC. Using O2, the porous layer does not effect the CO2 transport significantly, whereas the blood concentration layer and the increasing CO2 partial pressure in O2 limit the CO2 transport over the membrane. A combination of O2 and PFC results in a module, which benefits from the advantages of both modules. With the O2 and the O2/PFC module, the goal of an exchange rate of 30 ml/min CO2 has been met with realistic input parameters. This was not possible using only PFC as a fluid, without drastically changing the membrane characteristics. The experiments support the made assumptions and validate the results from the model. In the porcine blood experiments, CO2 fluxes of 30-40 ml/min for O2 are measured and 7-11 ml/min for PFC. Comparison with the calculations showed that the mathematical model is able to satisfyingly predict the CO2 flux for varying blood and fluid properties as well as different module configurations.