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Scarabaeusherz

Projektvideo:

https://www.youtube.com/watch?v=Yk7KJCq0oC4&feature=youtu.be

Kolbenläufer für verschiedene Bauarten von Rotationskolbenpumpen

Blutpumpen finden Anwendung vom kurzzeitigen Einsatz, wie der extrakorporalen Herzlungenmaschine, bis zum permanenten Einsatz als voll implantierbare Herzunterstützung oder dem vollständigen Herzersatz. Die bisherige Entwicklung von Blutpumpen lässt sich chronologisch in drei Generationen von Pumpenarten einteilen. Die Blutpumpen der ersten Stunde basieren auf dem Verdrängerprinzip. Sie verwenden Membranen und künstliche Herzklappen um Blut in einer vorgegebenen Richtung zu fördern. Durch das Funktionsprinzip sind sie sehr groß und haben wegen ihrer verschleißbehafteten Komponenten nur eine begrenzte Haltbarkeit. Diese technischen Probleme konnten mit den Blutpumpen der zweiten und dritten Generation gelöst werden. Denn diese Pumpenarten arbeiten nach dem Rotationsprinzip. Sie sind dadurch viel kleiner und zuverlässiger.            Die Fortschritte in der Entwicklung von Blutpumpen führen zu stetig zunehmen Fallzahlen, insbesondere als Herzunterstützungssysteme, die voll implantiert die Förderleistung des erkrankten Herzens unterstützen.
Obwohl die Blutpumpen der zweiten und dritten Generation die technischen Probleme der ersten Generation lösen konnten, verursachen sie medizinische Komplikationen, die in diesem Ausmaß von den Blutpumpen der ersten Generation nicht bekannt waren. Dazu zählen die Aorteninsuffizienz, beeinträchtigte Nierenfunktion, Magendarmblutungen und thromboembolische Komplikationen. Es wird davon ausgegangen, dass diese medizinischen Komplikationen durch den nicht-pulsatilen Blutfluss sowie die hohe Scherbelastung des Blutes in diesen Blutpumpen verursacht wird. Beide Eigenschaften sind inhärent mit dem Pumpprinzip der Rotationspumpen verbunden. Die technische Lösung für eine geringere Baugröße und eine hohe Haltbarkeit der Blutpumpe steht deshalb den durch das Rotationsprinzip verursachten medizinische Komplikationen entgegen.

Labormuster einer Rotationskolbenpumpe für den vollständigen Herzersatz (3D-Druck)

    Die Komplikationen mit heute verfügbaren Systemen motivieren die Suche nach einer geeigneteren Pumpenbauart. Das Ziel der Konzeptstudie Scarabaeusherz ist es, eine Pumpenbauart vorzustellen, die die medizinischen Komplikationen heutiger Systeme vermeidet und dennoch voll implantierbar ist. Dazu wird die Bauart der Rotationskolbenpumpen untersucht. Sie erlauben einen pulsatilen Blutfluss, ohne dass dafür verschleißbehaftete Herzklappen oder Membranen erforderlich wären. Durch die geringere Drehgeschwindigkeit und die reduzierten Spaltanteile ist die Scherbelastung des Blutes minimal. Ihr Volumenstrom kann im Vergleich zu heutigen Systemen sehr genau eingestellt werden und ihre Effizienz ist aufgrund des Verdrängerprinzips sehr hoch. Es ist deshalb vorstellbar, dass Rotationskolbenpumpen die Vorteile der Blutpumpen der ersten Generation sowie der zweiten und dritten Generation in einer neuen Bauart vereinen können.          

Teststand für die Untersuchung der lokalen Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Pumpkammer

In einem ersten Schritt wurden aus einer Vielzahl möglicher Rotationskolbenbauarten systematisch diejenigen ermittelt, die den Anforderungen an eine Blutpumpe am besten gerecht werden. Diese Bauarten wurden als Labormuster gefertigt und in Kreislaufsimulatoren im Labor getestet, um die geeignetste Pumpenbauart zu identifizieren. Eine verwendete Bauart sieht dem aus der Automobilindustrie bekannten Wankelmotor sehr ähnlich, basiert allerdings auf einem anderen Ansatz und weist damit andere Pumpcharakteristiken auf.           
Im Rahmen der Konzeptstudie findet ein Austausch mit Wissenschaftlern statt, die bereits an Rotationskolbenblutpumpen geforscht und vielversprechende Ergebnisse erhalten haben. Das Hauptproblem vor dem alle Arbeiten zu Rotationskolbenpumpen bisher stehen ist die permanente und vollständige Abdichtung der Pumpkammer von der Antriebseinheit. Diese technische Hürde verhinderte bisher den Einsatz von Rotationskolbenblutpumpen und führt nach langen Entwicklungsarbeiten zu Dichtungslösungen zur Einstellung vorhergehender Projekte.      
Im Rahmen der Konzeptstudie wurde deshalb ein dichtungsfreies Antriebs- und Lagerungskonzept für den Kolbenläufer entwickelt, um das Hauptproblem bisheriger Entwicklungen von vornherein ausschließen zu können. Der Ansatz für eine elektromagnetisch angetriebene, dichtungsfreie Rotationskolbenpumpe wurde zum Patent angemeldet (WO002016012082). Zudem wurden alle bisherigen Arbeiten zu Rotationskolbenblutpumpen in einer Übersichtsarbeit zusammengefasst und der dichtungsfreie Ansatz vorgestellt (10.1080/17434440.2016.1207522).

Im Rahmen der Laboruntersuchungen wurde nachgewiesen, dass die ausgewählte Pumpenbauart einen pulsatilen Blutfluss ähnlich dem des menschlichen Herz-Kreislaufsystems nachbildet. Um die medizinischen Komplikationen heutiger Systeme ausschließen zu können wurde in einem nächsten Schritt die Scherspannungen innerhalb der neuen Bauart untersucht. Dazu wurde eine neuer Ansatz für computergestützte Strömungssimulationen (CFD) etabliert. Um die Simulationsergebnisse abzusichern wurde zudem ein weiteres Labormuster gefertigt und mittels Particle-Image-Velocimetry (PIV) untersucht, um die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb der Pumpe zu analysieren. Das Ergebnis dieser Untersuchungen wurde mit marktführenden Blutpumpen für die Herzunterstützung verglichen. Um die Ergebnisse trotz unterschiedlicher Funktionsprinzipien der Pumpen vergleichen zu können wurden die für die Blutschädigung kritischen Strömungsanteile mit Scherspannungen von über 150 Pa ausgewertet. Diese betroffenen Volumenanteile wurden anschließend auf das Füllvolumen der Blutpumpen bezogen, um eine Vergleichbarkeit zwischen den Pumpen zu erreichen. Die Untersuchungen zeigen, dass das Blutvolumen mit hohen Scherspannungen in der ausgewählten Rotationskolbenpumpe um bis zu 408-fach geringer ist, als bei heute eingesetzten Blutpumpen.

Die Laborversuche zeigen, dass Rotationskolbenblutpumpen die prinzipbedingten Nachteile der Rotationspumpen nicht teilen. Daraus wird geschlussfolgert, dass sich mit Rotationskolbenblutpumpen die medizinischen Komplikationen der Rotationspumpen vermeiden lassen. Die Arbeiten zu den Computersimulationen sowie der Strömungsmessungen im Labor wurden in einer zweiten Publikation veröffentlicht (10.1007/s10439-016-1700-9). Die positiven Versuchsergebnisse rechtfertigen die Fortsetzung der Entwicklungsarbeiten um Rotationskolbenblutpumpen für den klinischen Einsatz vorzubereiten.

Pumpkammer und Kolbenläufer (ohne Magnetkupplung)

Um den permanenten Einsatz dieser Pumpenbauart zu ermöglichen muss das Hauptproblem bisheriger Forscher gelöst werden: unzureichende Dichtungslösungen. Dies wird mit dem dichtungsfreien Antriebs- und Lagerungskonzept möglich. Angestrebt wird der Einsatz speziell für die Bewegungsform des Kolbenläufers entwickelter Direktantriebe auf beiden Stirnseiten der Pumpkammer. Da die Entwicklung dieser Direktantriebe aufwändig ist, wird die Entwicklung durch eine proof-of-concept mit einem ähnlichen, aber vereinfachten Prototyp abgesichert. Dazu werden anstelle der noch zu entwickelnden Direktantriebe zunächst Magnetkupplungen an beiden Stirnseiten eingesetzt. In diesem Zwischenschritt ist noch keine Sensorik und Positionsregelung des Kolbenläufers enthalten, sodass der Kolbenläufer über drei kleine Kontaktlagerstellen auf seiner Bewegungsbahn und in der axialen Position geführt wird. Diese Kontaktlagerung soll in einem späteren Modell mit Direktantrieben wegfallen. 2017 wurde das erste Labormuster einer Rotationskolbenblutpumpe mit dichtungsfreiem Antrieb- und Lagerungskonzept fertiggestellt und im Labor getestet. Mit diesem proof-of-concept konnte der Nachweis erbracht werden, dass das Hauptproblem bisheriger Entwicklungen an Rotationskolbenblutpumpen gelöst worden ist.

 

Labormuster der dichtungsfreien Rotationskolbenpumpe (r.) und Montageeinheit für die Magnentkupplungen (l.)

Das Projekt Scarabaeusherz wird in Kooperation mit der Klinik für Thorax- Herz- und Gefäßchirurgie des Uniklinikums RWTH Aachen durchgeführt. Die technische Ausarbeitung fügt sich in den traditionellen Schwerpunkt des Lehr- und Forschungsgebiets Cardiovascular Engineering, der vorklinischen Entwicklung innovativer Pumpkonzepte, ein.

Kontakt

Dr. rer. medic. Johannes Wappenschmidt

Tel.: +49 241 80 89168

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