Simulación de la destrucción por cizallamiento de los glóbulos rojos

Muchos dispositivos médicos para el tratamiento de la insuficiencia cardíaca generan un flujo de corte no fisiológico. Esto puede desencadenar la destrucción de glóbulos rojos después de la implantación de dispositivos de asistencia ventricular (VAD), válvulas cardíacas artificiales, stents vasculares o dispositivos de trombectomía intervencionista.

La destrucción de los glóbulos rojos, o hemólisis mecánica, es una complicación inevitable de los dispositivos de intervención, por lo que los científicos quieren comprender mejor el fenómeno.

En Física de Fluidos, investigadores de la Universidad de Tsinghua desarrollaron un modelo de destrucción de glóbulos rojos basado en simulaciones de dinámicas de partículas disipativas dentro de un flujo de alto cizallamiento. Usaron los resultados para hacer recomendaciones para mejorar los VAD.

«Después de que los dispositivos médicos intervencionistas se implantan dentro del cuerpo humano, el campo de flujo cercano genera un flujo de corte con una tasa de corte muy alta», dijo el coautor Xiwen Zhang. «La tasa de cambio de velocidad del fluido deformará la membrana de los glóbulos rojos. Eventualmente, la deformación de la membrana excede la tensión máxima y la membrana se rompe por el flujo de corte».

El equipo descubrió que la aceleración durante el cizallamiento es un factor importante en la destrucción de glóbulos rojos, más allá del tiempo de exposición y la tensión de cizallamiento. Recomiendan agregar una estructura amortiguadora de flujo al diseño estructural de los VAD para reducir parte de la hemólisis causada por la aceleración de corte.

Para la investigación relacionada con la hemólisis, muchos investigadores se centran en experimentos a macroescala para obtener una serie de fórmulas empíricas de ajuste.

«Pero nuestro equipo está explorando el proceso de destrucción por cizallamiento de los glóbulos rojos con más detalle a escala de glóbulos rojos mediante el uso de dinámicas de partículas disipativas», dijo Zhang.

Se desarrolló un método de dinámica de partículas de disipación de transporte para simular el daño por cizallamiento de los glóbulos rojos en sangre real. Crédito: Física de Fluidos (2022). DOI: 10.1063/5.0112967

«Esperamos que nuestro estudio pueda servir como puente entre los experimentos de hemólisis macroscópica y las simulaciones microscópicas de glóbulos rojos (simulaciones de dinámica molecular)», dijo Zhang. «En el trabajo futuro, continuaremos construyendo modelos de fallas por cizallamiento de múltiples glóbulos rojos y realizaremos simulaciones de fallas por cizallamiento basadas en sangre total para poder compararlas con experimentos de hemólisis macroscópica».

Los investigadores están desarrollando actualmente un nuevo índice para predecir la hemólisis de los VAD con mayor precisión y ayudar a optimizar la forma de los VAD, lo que debería mejorar el rendimiento hidráulico y reducir la hemólisis.

Planean representar mejor el proceso de difusión de la hemoglobina después del daño por cizallamiento agregando un modelo de dinámica de partículas de disipación de transporte basado en este trabajo.