Studio sperimentale di una pompa asimmetrica senza valvola per chiarire le strategie per l'aumento del flusso extravascolare pediatrico

May 16, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 22165 (2022) Citare questo articolo

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Il pompaggio asimmetrico è una sottocategoria del pompaggio senza valvola in cui un tubo flessibile viene compresso ritmicamente nel piano di simmetria trasversale. Grazie alla conseguente asimmetria tra i tubi di aspirazione e di mandata si ottiene una prevalenza netta. Il pompaggio asimmetrico è considerato uno dei principali meccanismi responsabili dell'effetto Liebau oltre al pompaggio di impedenza. Tuttavia, rimane una scarsità di ricerche sui parametri che governano il pompaggio asimmetrico. Qui, abbiamo condotto uno studio sperimentale sulle prestazioni di una pompa asimmetrica, con l'obiettivo di valutare il suo potenziale di aumento del flusso extravascolare. A questo scopo sono stati sviluppati un tubo flessibile in lattice personalizzato e una piattaforma sperimentale. Abbiamo testato vari spessori di tubo e frequenze di pizzicamento. I nostri risultati dimostrano che le prestazioni rientrano nell'intervallo dei requisiti fisiologici per i dispositivi circolatori pediatrici (~ 1 L/min e < 30 mmHg). Concludiamo che, a causa dell’assenza di flusso inverso e della sua semplicità meccanica, il pompaggio asimmetrico puro è promettente per applicazioni cardiovascolari selezionate con meno complessità rispetto ad altre tecniche senza valvola.

La categoria del pompaggio senza valvole comprende fenomeni che possono generare un flusso controllato e unidirezionale senza valvole. Uno dei meccanismi di pompaggio senza valvola più studiati è l’effetto Liebau1. Una pompa Liebau è un piccolo dispositivo costituito da un tubo elastico diritto con due segmenti differenziati: un segmento più largo e più distensibile e un segmento stretto e rigido. Dopo la compressione ciclica del segmento più ampio, si ottiene un flusso netto verso il segmento più stretto. L'effetto Liebau può essere spiegato come la sovrapposizione di due diversi meccanismi di pompaggio: pompaggio ad impedenza e pompaggio asimmetrico2.

Il pompaggio ad impedenza avviene in un circuito in cui un tubo cedevole è collegato a tubi rigidi creando una netta differenza di impedenza. Per questo motivo le onde di pressione vengono fortemente riflesse su entrambe le estremità cedevoli del tubo. Inoltre, il pincher non è posizionato sul piano di simmetria del tubo cedevole. Come risultato del pizzicamento, al fluido viene aggiunta energia meccanica, principalmente sotto forma di pressione. Queste onde di pressione viaggiano dalla regione di pizzicamento verso entrambe le estremità del tubo cedevole, dove vengono riflesse. Poiché il pincher non è equidistante da entrambe le estremità, le onde di pressione riflesse non si annullano a vicenda, generando un campo di pressione che crea l'effetto pompaggio3.

Al contrario, nel pompaggio asimmetrico l'attuatore si trova sul piano di simmetria del tubo cedevole e quindi le onde di pressione riflesse si annullano a vicenda. La caratteristica principale del pompaggio asimmetrico è che per ottenere il pompaggio è necessaria un'asimmetria nella resistenza idraulica dei tubi rigidi. Per illustrare questa classificazione, la Fig. 1 considera la lunghezza come l'unico parametro asimmetrico e include un esempio che non raggiungerebbe il pompaggio (Fig. 1d). Più in generale, l’asimmetria potrebbe essere ottenuta variando il diametro, il materiale o il design del tubo cedevole. In tutti i casi, l'effetto di pompaggio è generato dalle onde di pressione pulsata che viaggiano attraverso il sistema. L'asimmetria determina un gradiente di pressione assiale netto4.

Impedenza e pompaggio asimmetrico che illustrano l'asimmetria lungo la lunghezza del tubo cedevole. (a) Misto (effetto Liebau), (b) impedenza, (c) asimmetrico e (d) nessun sistema di pompaggio. SP = piano di simmetria.

Dalla sua scoperta a metà del XX secolo, numerosi studi hanno descritto il meccanismo della pompa Liebau: un dispositivo meccanicamente semplice con un meccanismo dinamicamente complesso. Le applicazioni pratiche della pompa Liebau sono molteplici, dall'assistenza cardiovascolare all'elettronica. Per analizzare i principi fondamentali che governano questo fenomeno, Hickerson et al. 5 hanno dimostrato sperimentalmente la sensibilità del pompaggio Liebau a vari parametri tra cui cambiamenti nella posizione del pincher, dimensione e frequenza di compressione, pressione transmurale, resistenza sistemica e materiali in un circuito chiuso. Hickerson e Gharib6 continuarono questi esperimenti per mostrare la meccanica ondulatoria richiesta per l'accumulo di pressione e di flusso netto. Le misurazioni a ultrasuoni delle proprietà transitorie e risonanti sono state utilizzate per correlare le risposte in massa alla meccanica della pompa. Wen et al.7 hanno effettuato uno studio sperimentale di una pompa Liebau per la gestione termica di sistemi elettronici ad alte prestazioni, dimostrandone la fattibilità per il raffreddamento elettronico. Da una prospettiva di modellazione analitica e computazionale, diversi studi hanno esaminato il fenomeno8,9,10,11, spesso utilizzando approcci unidimensionali per risolvere quantità di moto e bilanci di massa e confrontando risultati sperimentali e analitici. In particolare, Avrahami e Gahrib4 hanno condotto una simulazione completa dell'interazione fluido-struttura di una pompa Liebau, che ha spiegato in modo esauriente i fenomeni fisici alla base del pompaggio delle onde. Dal punto di vista dell'applicazione, Pahlevan e Gharib2 hanno eseguito un'indagine in vitro su un potenziale effetto di pompaggio delle onde nell'aorta umana, mostrando la differenza nel pompaggio asimmetrico e di impedenza e concludendo che la propagazione e la riflessione delle onde possono provocare un meccanismo di pompaggio in un'aorta conforme . Recentemente, Davtyan e Sarvazyan12 hanno confermato la fattibilità fisiologica del pompaggio basato su Liebau in un allestimento sperimentale utilizzando vasi di dimensioni anatomiche, dimostrando prestazioni di pompaggio paragonabili a quelle di pompe peristaltiche di dimensioni simili.