Estudio experimental de una bomba sin válvula asimétrica para dilucidar ideas sobre estrategias para el aumento del flujo extravascular pediátrico

May 16, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 22165 (2022) Citar este artículo

730 Accesos

Detalles de métricas

El bombeo asimétrico es una subcategoría de bombeo sin válvulas en la que un tubo flexible se comprime rítmicamente en el plano de simetría transversal. Debido a la asimetría resultante entre las tuberías de succión y descarga, se logra una cabeza de bombeo neta. El bombeo asimétrico se considera uno de los principales mecanismos responsables del efecto Liebau además del bombeo de impedancia. Sin embargo, sigue existiendo una escasez de investigación en torno a los parámetros que rigen el bombeo asimétrico. Aquí, llevamos a cabo un estudio experimental del rendimiento de una bomba asimétrica, con el objetivo de evaluar su potencial para el aumento del flujo extravascular. Para este propósito, se desarrollaron un tubo de látex flexible personalizado y una plataforma experimental. Probamos varios espesores de tubo y frecuencias de pellizco. Nuestros resultados demuestran que el rendimiento está dentro del rango de requisitos fisiológicos para dispositivos circulatorios pediátricos (~ 1 L/min y < 30 mmHg). Concluimos que debido a la ausencia de flujo inverso y su simplicidad mecánica, el bombeo asimétrico puro es prometedor para aplicaciones cardiovasculares seleccionadas con menos complejidad que otras técnicas sin válvulas.

La categoría de bombeo sin válvulas abarca fenómenos que pueden generar un flujo unidireccional controlado sin válvulas. Uno de los mecanismos de bombeo sin válvulas más estudiados es el efecto Liebau1. Una bomba Liebau es un pequeño dispositivo que consta de un tubo elástico recto con dos segmentos diferenciados: un segmento más ancho y distensible, y un segmento estrecho y rígido. Tras la compresión cíclica del segmento más ancho, se logra un flujo neto hacia el segmento más estrecho. El efecto Liebau puede explicarse como la superposición de dos mecanismos de bombeo diferentes: bombeo de impedancia y bombeo asimétrico2.

El bombeo de impedancia se produce en un circuito en el que un tubo compatible está conectado a tuberías rígidas que crean una gran diferencia de impedancia. Debido a esto, las ondas de presión se reflejan fuertemente en ambos extremos de los tubos flexibles. Además, la pinza no se coloca en el plano de simetría del tubo flexible. Como resultado del pinzamiento, se agrega energía mecánica al fluido, principalmente en forma de presión. Estas ondas de presión viajan desde la región de pinzamiento hacia ambos extremos del tubo flexible, donde se reflejan. Como la pinza no está equidistante de ambos extremos, las ondas de presión reflejadas no se anulan entre sí, generando un campo de presión que crea el efecto de bombeo3.

Por el contrario, en el bombeo asimétrico, el actuador está ubicado en el plano de simetría del tubo compatible y, por lo tanto, las ondas de presión reflejadas se cancelan entre sí. La característica principal del bombeo asimétrico es que es necesaria una asimetría en la resistencia hidráulica de las tuberías rígidas para lograr el bombeo. Para ilustrar esta clasificación, la Fig. 1 considera la longitud como el único parámetro asimétrico, e incluye un ejemplo que no lograría el bombeo (Fig. 1d). En términos más generales, la asimetría podría lograrse variando el diámetro, el material o el diseño del tubo compatible. En todos los casos, el efecto de bombeo es generado por ondas de presión de pulso que viajan a través del sistema. La asimetría da como resultado un gradiente de presión axial neto4.

Impedancia y bombeo asimétrico que ilustran la asimetría a lo largo de la tubería compatible. (a) Mixto (efecto Liebau), (b) impedancia, (c) asimétrico y (d) sin sistemas de bombeo. SP = plano de simetría.

Desde su descubrimiento a mediados del siglo XX, numerosos estudios han descrito el mecanismo de la bomba Liebau, un dispositivo mecánicamente simple con un mecanismo dinámicamente complejo. Las aplicaciones prácticas de la bomba Liebau son diversas, desde la asistencia cardiovascular hasta la electrónica. Para analizar los principios fundamentales que rigen este fenómeno, Hickerson et al. 5 demostró experimentalmente la sensibilidad del bombeo de Liebau a varios parámetros, incluidos los cambios en la posición de la pinza, el tamaño y la frecuencia de compresión, la presión transmural, la resistencia sistémica y los materiales en un circuito cerrado. Hickerson y Gharib6 continuaron estos experimentos para mostrar la mecánica ondulatoria requerida para la acumulación de presión y flujo neto. Se usaron mediciones de ultrasonido de las propiedades transitorias y resonantes para relacionar las respuestas a granel con la mecánica de la bomba. Wen et al.7 realizaron un estudio experimental de una bomba Liebau para la gestión térmica de sistemas electrónicos de alto rendimiento, demostrando su viabilidad para refrigeración electrónica. Desde una perspectiva de modelado analítico y computacional, varios estudios han examinado el fenómeno8,9,10,11, a menudo utilizando enfoques unidimensionales para resolver balances de cantidad de movimiento y masa, y comparando resultados experimentales y analíticos. En particular, Avrahami y Gahrib4 realizaron una simulación completa de interacción fluido-estructura de una bomba de Liebau, que explicó de manera integral los fenómenos físicos que subyacen al bombeo de las olas. Desde la perspectiva de la aplicación, Pahlevan y Gharib2 realizaron una investigación in vitro de un posible efecto de bombeo de ondas en la aorta humana, mostrando la diferencia en el bombeo asimétrico y de impedancia, y concluyendo que la propagación y la reflexión de las ondas pueden dar como resultado un mecanismo de bombeo en una aorta compatible. . Recientemente, Davtyan y Sarvazyan12 confirmaron la viabilidad fisiológica del bombeo basado en Liebau en una configuración experimental utilizando vasos de tamaño anatómico, demostrando un rendimiento de bombeo comparable al de las bombas peristálticas de tamaño similar.

Aunque varios estudios tratan sobre la bomba de Liebau y sus posibles aplicaciones, son pocas las investigaciones que dilucidan los principales mecanismos de bombeo y su posterior aplicación a la asistencia cardiovascular. En el presente estudio, abordamos esta brecha con una configuración experimental modular personalizada, en la que se pueden estudiar los fenómenos del efecto Liebau, lo que permite un entorno experimental altamente controlable. Incluye dimensiones, caudales y materiales que operan dentro del rango de parámetros que probablemente se encuentren en la fisiopatología cardiovascular. Adicionalmente, este artículo muestra el desempeño de una pinza completamente nueva, basada en el concepto mecánico de un obturador de diafragma, para permitir un pinzamiento mucho más uniforme que permite un mejor rendimiento teórico que las pinzas de tipo plano4.

Este artículo está organizado de la siguiente forma; primero, explicamos nuestro material y métodos, incluida la fabricación y validación de nuestros tubos de látex flexibles personalizados y el banco de pruebas de bombeo asimétrico. En segundo lugar, presentamos los resultados del rendimiento de bombeo en función de la flexibilidad del tubo de látex, las curvas de altura versus caudal y el efecto de la frecuencia de compresión en la pinza.

Para realizar este estudio experimental, construimos dos configuraciones experimentales; el primero para caracterizar tubos de látex fabricados a medida, y el segundo circuito hidráulico para determinar el rendimiento de la bomba asimétrica. Establecimos procedimientos para asegurar la repetibilidad y precisión de las pruebas.

Nuestros tubos de látex se fabricaron a medida en nuestras instalaciones, Fig. 2. Una barra de aluminio giratoria (3 rpm, 40 cm de largo, 2 cm de diámetro) se sumergió verticalmente dentro de un látex líquido a base de amoníaco (Feroca, España) en un recipiente de vidrio. envase. A continuación, se extrajo para curar la capa de látex adherida. Este proceso se repitió varias veces para lograr el espesor de pared deseado (que osciló entre 0,3 mm y 1,05 mm), y tardó algunas horas en completarse. El proceso fue completamente automatizado para la reproducibilidad. La configuración está controlada por un Arduino Nano, que está programado con un programa personalizado para cada grosor del tubo de látex.

Estación de fabricación de tubos de látex (izquierda) y configuración de medición de cumplimiento (derecha).

El resultado del proceso fue una funda de látex cilíndrica de 40 cm de largo alrededor de un mandril de aluminio, que se retiró con cuidado una vez seco el látex. Después de quitar los extremos, el tubo se cortó en tres tubos de látex idénticos, cada uno de 12 cm de largo. El cumplimiento, C, de los tubos de látex se midió experimentalmente. El cumplimiento se define según la ecuación. (1)13,

donde V, P y V0 son, respectivamente, volumen, presión y volumen del tubo en condiciones de reposo (V0 = 31,4 mL). El cumplimiento se midió inyectando volúmenes conocidos de agua del grifo a través de una jeringa dentro de un tubo de látex cerrado por ambos extremos y midiendo las presiones transmurales; con un medidor de presión (JUMO dTRANS p30, Alemania), como se muestra en la Fig. 2. Volúmenes inyectados y presiones de lectura medidas hasta 20 mL y 250 mbar, respectivamente.

Nuestro circuito experimental de prueba de bombeo asimétrico (Fig. 3a) constaba de dos depósitos grandes (área de sección transversal de 750 cm2) separados por 4 m, conectados a través de un tubo recto, horizontal, de 20 mm de diámetro exterior y 16 mm de diámetro interior. El tubo estaba hecho de tubería no conforme, a excepción de una porción de látex de 10 cm de largo y dos pequeños tubos de silicona, uno a cada lado del tubo de látex, lo que permite medir el caudal con dos caudalímetros de ultrasonidos unidireccionales (Sonotec Sonoflow CO.55/230H V2 .0, Alemania). El circuito de prueba se equipó con un medidor de presión (Keller PD-23, Suiza) en el depósito de descarga, para permitir la medición de la altura del agua en el depósito. Las incertidumbres con respecto a los medidores de flujo, el medidor de presión y el cumplimiento fueron aproximadamente 2%, 4% y 0.5%, respectivamente. La incertidumbre por período/frecuencia fue de hasta 0,025%. La relación de longitud de tubería de descarga a succión λ = 4.33. El sistema se concibe como una plataforma para centrarse en el estudio del bombeo asimétrico, capaz de estudiar muy diferentes tipos de asistencia.

(a) Equipo de prueba asimétrico puro con λ = 4.33 (b) actuador de obturador de diafragma montado en el equipo de prueba, (c) obturador de diafragma abierto, (d) obturador de diafragma cerrado.

Utilizamos un obturador de diafragma de seis palas, accionado neumáticamente, impreso en 3D como una pinza, colocado concéntricamente alrededor del tubo de látex en el plano de simetría transversal del tubo flexible (Fig. 3b-d). El diseño del cierre fue una mejora del método tradicional de compresión de placa plana en estudios experimentales5. El cierre radial de dos planos con tres álabes cada uno resultó en una región de compresión de 10 mm de ancho, Fig. 3d. La relación Ab9 se define en la ecuación. (2)

donde A0 es el área de la sección transversal del tubo sin deformar y Amin es el área mínima de la sección transversal del obturador. Ab se fijó al 65% para evitar la oclusión completa del tubo de látex, Fig. 3d.

El ciclo de trabajo de compresión2 se fijó en 33%. La frecuencia se controlaba manualmente o se ajustaba automáticamente. En el modo manual, la frecuencia se fijó en un valor fijo para toda la prueba. En el modo automático, el propio sistema actualiza la frecuencia de pellizco a un valor optimizado denominado "frecuencia resonante" a medida que el rendimiento alcanza su punto máximo en tales condiciones y cae abruptamente fuera de él14. Para ajustar este valor, se disparó la compresión en el momento en que la onda de caudal llega al pincher, luego de ser reflejada en el depósito de succión. Así, el sistema de control puede actualizar automáticamente la frecuencia de trabajo durante las pruebas para lograr un rendimiento óptimo. Las frecuencias probadas estaban en el rango de < 5 Hz, con una resolución de tiempo de un milisegundo. El número de Womersley (Wo) fue de aproximadamente 13, basado en la ecuación. (3)

donde R, ρ, f y µ son el radio, la densidad, la frecuencia y la viscosidad del recipiente, respectivamente.

Suponiendo un caudal representativo de 1 L/min en la configuración, calculamos un número de Reynolds (Re) de aproximadamente 1000, que corresponde al régimen de flujo laminar. Por lo tanto, estimamos una pérdida de carga máxima15 de menos de 2 mm. Dado que la diferencia de altura observada entre las superficies libres de los depósitos estaba en el rango de centímetros, usamos esto como cabeza de bomba y despreciamos las pérdidas. Inicialmente (cuando el sistema está en reposo y la altura de presión es igual a cero), ambos depósitos se encontraban a una altura de 15 cm sobre el circuito de tubos. Se usó agua del grifo como fluido de trabajo y se tuvo especial cuidado en purgar el aire del equipo de prueba.

El sistema de adquisición de datos construido en casa se basó en un sistema Arduino Due y tomó muestras de datos tanto de los medidores de presión como de los medidores de flujo cada 1 ms.

Para el sistema de control, un Arduino Nano controló el cierre del obturador de diafragma; esto se puede configurar en dos modos diferentes. En modo manual, se fija una frecuencia de trabajo constante para toda la prueba. En modo automático, el sistema de control determina la frecuencia de resonancia a partir de la señal de uno de los caudalímetros y, como tal, sincroniza el cierre del obturador del diafragma con el llenado del tubo de látex. En todas las pruebas, salvo que se indique lo contrario, utilizamos el modo automático. La figura 4 muestra el transcurso del tiempo del caudal que emplea el sistema de control para establecer el gatillo de cierre desde el pico de la curva de caudal. En este caso, el caudal positivo es desde la succión hasta los depósitos de descarga. El período se calcula en función del tiempo entre picos consecutivos.

Gatillo software para accionar el cierre de la pinza.

Los datos fueron procesados ​​y analizados con MATLAB. Los datos de la serie de tiempo registrados de cabeza instantánea y caudal se filtraron con un filtro de promedio móvil para reducir el ruido. Para extraer las curvas de carga frente a caudal, se promediaron los valores para cada ciclo de compresión. Para la caracterización del rendimiento, se consideraron tanto la cabeza como el caudal: la cabeza era asintótica en el tiempo en términos de su valor máximo16,17, mientras que el caudal máximo se producía en el momento del primer ciclo de compresión, lo que dificulta su captura con caudalímetros ultrasónicos. Como la cabeza es aproximadamente lineal con el tiempo durante la primera parte del experimento (aproximadamente 60 ciclos), el caudal máximo se calculó como el volumen bombeado a lo largo del tiempo durante los primeros 5 ciclos16.

La figura 5 muestra el cumplimiento del tubo medido para varios conjuntos de tubos de látex con espesores de pared variables (peso). El cumplimiento se traza en un eje y logarítmico. Nuestros tubos de látex personalizados muestran una buena repetibilidad para cada espesor de pared, lo que sugiere que las propiedades a lo largo del tubo son homogéneas y que nuestro método de producción es uniforme. El cumplimiento sigue una relación exponencial con la presión. Nuestra hipótesis es que esta clara tendencia al alza se debe al hecho de que, a medida que aumenta el volumen, el espesor de la pared se vuelve más delgado y, por lo tanto, el tubo de látex se comporta de una manera menos rígida. En nuestros experimentos posteriores, la presión transmural varió de 500 a 3000 Pa, en este rango de presión el cumplimiento es similar para todos los espesores de pared (Fig. 5).

Ensayo de conformidad de varios juegos de tubos de diferentes espesores de pared: 0,3, 0,5, 0,7, 1,05 mm.

Inmediatamente después de medir su cumplimiento, los tubos de látex se instalaron en el banco de pruebas para determinar sus curvas de bombeo características. La figura 6 muestra las curvas de altura versus caudal para varios tubos de látex de diferentes espesores de pared, con compresión a la frecuencia resonante (aproximadamente 1,72 Hz o 103 BPM). Estas curvas muestran una buena repetibilidad. Se puede apreciar que un mayor espesor de pared mejora el rendimiento de bombeo. Todos los tubos de látex se utilizaron inmediatamente después de las pruebas de conformidad y su durabilidad se limitó a ~ 5000 ciclos de compresión. En este período no se observó un cambio significativo en el rendimiento del bombeo, excepto en el momento de la falla. Dado que, para estas pruebas, el sistema de control calculó la frecuencia de resonancia en cada ciclo de compresión, esto cambió durante el experimento. En el caso del tubo de látex de 0,7 mm de espesor, se observó un aumento progresivo de la frecuencia de aproximadamente un 5% a medida que se elevaba la cabeza. Sin embargo, los cambios en la frecuencia de resonancia fueron insignificantes para los tubos de látex con un espesor de 0,3 y 0,5 mm.

Curvas de carga frente a caudal para varios espesores de pared de tubo de látex (peso).

Se estudió el caudal instantáneo para ayudar a comprender el fenómeno del bombeo asimétrico. La Figura 7 muestra el caudal instantáneo en el tubo de succión tanto para el experimento inicial como para el final (0,7 mm de espesor, frecuencia resonante). Inicialmente, la cabeza era cero (ambos depósitos tenían el mismo volumen de líquido) y la bomba entregaba su caudal máximo. El caudal instantáneo mostró una forma de onda influenciada por el patrón de compresión. Los caudales negativos corresponden al fluido desplazado desde la pinza al depósito de succión. Ocurren cuando el obturador del diafragma se cierra y desplaza el agua dentro del tubo de látex hacia ambos extremos. Los caudales positivos corresponden a la onda de caudal entrante que rellena el tubo de látex. El caudal neto (o promedio del ciclo) es la diferencia entre las partes positiva y negativa de la onda de caudal instantáneo, Fig. 7. Tanto los caudales positivos como los negativos alcanzan su punto máximo alrededor de un orden de magnitud más alto que el caudal neto máximo. El patrón del reflujo instantáneo parece permanecer constante; sin embargo, existe una diferencia entre las partes positivas inicial y final de las ondas de caudal instantáneo. En consecuencia, el volumen bombeado positivo disminuye a medida que aumenta la altura durante el experimento. Los volúmenes positivos y negativos se calculan como el área dentro de la curva de caudal positivo y negativo y el eje x, respectivamente. Cuando se alcanza la cabeza máxima, los volúmenes positivo y negativo son iguales. En consecuencia, el caudal neto es cero.

Caudal instantáneo para la parte inicial y final de los ensayos.

Se ejecutó una serie experimental a una frecuencia de compresión fija (\(f\)), que va desde frecuencias lo suficientemente bajas como para que no se observe un rendimiento significativo hasta aproximadamente el doble de la frecuencia resonante (\({f}_{r}\)), con Tubos de látex de 0,7 mm de espesor. Se impuso un límite de frecuencia superior por las limitaciones mecánicas del equipo de prueba, principalmente el actuador y la durabilidad de los tubos de látex. La figura 8 muestra los espectros de frecuencia de la cabeza máxima y del caudal neto máximo. Claramente, existe una relación no lineal entre el caudal neto y la frecuencia. Se observa un buen comportamiento en la frecuencia resonante, aunque hay una caída brusca con pequeñas variaciones de frecuencia. La tendencia revela que hay otro pico de rendimiento significativo en el segundo armónico, similar a otros fenómenos dependientes de la frecuencia. A pesar del bajo rendimiento fuera del rendimiento máximo resonante, no observamos flujo inverso neto, es decir, cabezas o caudales negativos.

Espectros de frecuencia de cabeza máxima y caudal neto máximo.

Ya se ha evaluado en la literatura un bombeo asimétrico puro, mediante bomba de pistón8,18, en lugar de una combinación de tubo flexible con pinza externa. La configuración de una bomba de pistón no es adecuada para aplicaciones extravasculares, ya que requiere el contacto de la sangre con el actuador. La mayoría de las investigaciones sobre bombas sin válvulas basadas en la compresión de tubos flexibles se centran en el efecto Liebau, que requiere asimetría de pincher. Además, una gran cantidad de estudios combinan el efecto de la compresión asimétrica y las geometrías asimétricas de succión y descarga17, lo que puede agregar complejidad.

En este estudio, brindamos información sobre un efecto de bombeo asimétrico sin válvulas, donde, aunque el elemento flexible se comprime simétricamente, se coloca de manera no simétrica en el sistema del circuito (Fig. 1c). Nos centramos en el rendimiento experimental general (es decir, cabeza y caudal promediados por período). De acuerdo con esta configuración, y con base en la literatura existente sobre el tema, comparamos nuestros resultados con la ecuación de energía mecánica promedio del período descrita por Propst11:

donde \({\overline{h} }_{D}\) representa el nivel promedio del período del depósito de descarga, \({\overline{h} }_{S}\) la misma magnitud para el depósito de succión, \ ({\zeta }_{D}\) y \({\zeta }_{S}\) son los coeficientes de pérdida de carga para las partes de descarga y succión del circuito y \({\overline{w} }_{ D}\) y \({\overline{w} }_{S}\) son las velocidades promediadas del período medio en cada parte del circuito. En nuestros experimentos, esta diferencia siempre es positiva de acuerdo con el balance de energía promedio del período. El agua fluye desde la succión hasta el depósito de descarga debido a la diferencia de energía cinética de ambas ramas, como se señaló en otro lugar4,11. Además, trabajar en la frecuencia resonante como se describe anteriormente está de acuerdo con el trabajo teórico de Jun y Kim19. La sincronización de fase en el tiempo entre la diferencia de presión del fluido y la fuerza de pinzamiento externa se obtiene cuando se trabaja a la frecuencia resonante, lo que permite el almacenamiento de energía en el depósito de descarga.

Las presiones transmurales en condiciones de trabajo (entre 500 y 3000 Pa) fueron mucho más bajas que las medidas por nuestro banco de pruebas de conformidad. Por lo tanto, de acuerdo con la Fig. 5, la flexibilidad del tubo en condiciones de trabajo para los tres espesores está representada por valores igualmente bajos. En consecuencia, se plantea la hipótesis de que, en tales condiciones, las diferencias en el cumplimiento del tubo juegan un papel insignificante en términos de frecuencia de resonancia. Dado que todo lo demás permanece constante, la frecuencia de resonancia no debería cambiar. Sostenemos que la ligera deriva observada en la frecuencia resonante hacia valores más altos a medida que aumenta la carga está relacionada con el rendimiento superior del tubo de 0,7 mm de espesor. Además, el grosor del tubo de látex parece desempeñar un papel importante en el rendimiento, ya que los tubos más gruesos se asocian con alturas y caudales más altos. Nuestra hipótesis es que los tubos más rígidos desplazan volúmenes más grandes, mientras que los tubos más flexibles pueden dilatarse fuera de la región de pinzamiento, amortiguando el efecto de compresión y desplazando así volúmenes más pequeños.

El rendimiento máximo de cabeza y caudal se observó a una frecuencia particular, denominada frecuencia resonante \({f}_{r}\) (o múltiplos de esta frecuencia). Esta observación también se encuentra en la literatura5,6 para bombeo de impedancia, donde se relaciona con la velocidad de la onda de presión (c) y la longitud del lado de succión del tubo flexible (L), como en la Ec. (5).

Sin embargo, la velocidad de la onda no se puede calcular mediante la conocida ecuación de Moens-Korteweg, que la sobreestima en un orden de magnitud12. Aunque algunos autores9,13 proponen otros enfoques analíticos mejorados o variaciones de la ecuación de Moens-Korteweg, los errores de aproximación todavía están lejos de ser aceptables debido a los estrechos picos de resonancia.

La dirección del flujo en nuestra configuración de equipo de prueba atmosférico de bucle abierto parecía no depender de la frecuencia, ya que no se observó flujo inverso en el barrido de frecuencia realizado. Aunque se ha informado la dirección del flujo dependiente de la frecuencia en el bombeo asimétrico sin válvulas2,8,18, esto puede ser el resultado de diferencias significativas en la geometría y las condiciones límite, como circuitos cerrados o actuadores de pistón. Determinar bajo qué condiciones límite se logra el flujo unidireccional sería de vital importancia para las aplicaciones de asistencia extravascular.

El trabajo futuro abordará el efecto de variar la longitud total del tubo, las proporciones de longitud de descarga a succión y el cabezal de succión en la frecuencia de resonancia y el rendimiento. Para asistencia de bombeo extravascular, la bomba sin válvula se acoplaría a un sistema más grande que funciona en condiciones variables14. El estrecho ancho de banda del pico resonante resalta la importancia crítica de comprimir a la frecuencia resonante. Conseguimos un ajuste de frecuencia en línea mediante un caudalímetro de ultrasonidos. Sin embargo, podrían desarrollarse otras técnicas de detección menos invasivas para aplicaciones clínicas. Los sensores ópticos (como los monitores de frecuencia cardíaca en la muñeca) o los manómetros integrados parecen ser técnicas prometedoras. La bomba asimétrica mostró un bombeo exitoso al aumentar la presión de cabeza y el caudal. La realización actual puede bombear en un rango adecuado para el soporte circulatorio pediátrico con presiones de < 30 mmHg (alrededor de 41 cm H2O) y caudales de alrededor de 1 L/min que corresponden a condiciones fisiológicas20. Los parámetros operativos y la forma de realización de la bomba se refinarán y optimizarán aún más para abordar diferentes condiciones hemodinámicas en el futuro. La frecuencia de resonancia es fisiológicamente compatible (0,5-2,5 Hz)12.

En conclusión, el estudio sugiere que el bombeo asimétrico puro es una tecnología prometedora para su uso en dispositivos de aumento del flujo extravascular. Aunque se requiere perfeccionamiento antes de la traducción clínica, los resultados preliminares son alentadores y la técnica tiene ventajas considerables sobre las técnicas alternativas de bombeo sin válvulas, incluido el bombeo peristáltico y de impedancia. El bombeo asimétrico es mecánicamente más simple que las otras opciones y no induce flujo inverso a frecuencias de compresión fisiológica, una consideración importante para su uso en el aumento del flujo sanguíneo extravascular.

Los datos experimentales estarán disponibles bajo petición, póngase en contacto con el autor correspondiente en [email protected].

Liebau, G. Sobre un principio de bomba sin válvulas (Ger). Ciencias Naturales 327, 1 (1954).

Google Académico

Pahlevan, NM & Gharib, M. Investigación in vitro de un posible efecto de bombeo de ondas en la aorta humana. J. Biomech. 46, 2122–2129 (2013).

Artículo Google Académico

Loumes, L., Avrahami, I. y Gharib, M. Bombeo resonante en una bomba de impedancia multicapa. física Fluidos. 20, 23103 (2008).

Artículo MATEMÁTICAS Google Académico

Avrahami, I. & Gharib, M. Estudios computacionales de bombeo de ondas de resonancia en tubos flexibles. J. Mecánica de fluidos. 608, 139–160 (2008).

Artículo ADS MATH Google Scholar

Hickerson, AI, Rinderknecht, D. y Gharib, M. Estudio experimental del comportamiento de una bomba de impedancia sin válvulas. Exp. Fluidos 38, 534–540 (2005).

Artículo Google Académico

Hickerson, AI & Gharib, M. Sobre la resonancia de un tubo flexible como mecanismo para el bombeo sin válvulas. J. Mecánica de fluidos. 555, 141–148 (2006).

Artículo ADS MATH Google Scholar

Wen, CY, Yeh, SJ, Leong, KP, Kuo, WS y Lin, H. Aplicación de una bomba de impedancia sin válvulas en un sistema de refrigeración líquida. Trans. IEEE. componente Paquete Fabricación Tecnología 3, 783–791 (2013).

Artículo Google Académico

Takagi, S. & Saijo, T. Estudio de una bomba de pistón sin válvulas: 1er informe, en un sistema de capacidad de tubería con una unión en T. Toro. JSME. 26, 1366-1372 (1983).

Artículo Google Académico

Manopoulos, C., Tsangaris, S. y Mathioulakis, D. Generación de flujo neto en bombeo sin válvulas de circuito cerrado. proc. Inst. mecánico Ing. Parte C J. Mech. Ing. ciencia 234, 2126–2142 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Borzì, A. & Propst, G. Investigación numérica del fenómeno de Liebau. Diario de Angew. Matemáticas y Física. 54, 1050-1072 (2003).

Artículo ADS MathSciNet MATH Google Scholar

Propst, G. Efectos de bombeo en modelos de configuraciones de flujo periódicamente forzado. física D Fenómeno no lineal. 217, 193–201 (2006).

Artículo ADS MathSciNet MATH Google Scholar

Davtyan, R. & Sarvazyan, NA Salida de una bomba Liebau sin válvula con propiedades de recipiente biológicamente relevantes y frecuencias de compresión. ciencia Rep. 11, 1–10 (2021).

Artículo Google Académico

Meier, JA Nuevo estudio experimental de una bomba de impedancia sin válvula para aplicaciones en escalas de tamaño de dispositivos biomédicos, Microuidic y Lab-On-Chip. Tesis doctoral (Instituto de Tecnología de California, 2011)

Google Académico

Hickerson, AI Un análisis experimental de los comportamientos característicos de una bomba de impedancia. Tesis doctoral (Instituto de Tecnología de California, 2005)

Google Académico

Bringley, TT, Chilress, S., Vandenberghe, N. & Zhang, J. Una investigación experimental y un modelo simple de una bomba sin válvulas. física Fluidos 20, 033602 (2008).

Artículo ADS MATH Google Scholar

Hiermeier, F. & Männer, J. El retorcimiento y la torsión pueden mejorar significativamente la eficiencia del bombeo sin válvulas en conductos tubulares periódicamente comprimidos. Implicaciones para la comprensión de la relación forma-función de los tubos cardíacos embrionarios. J. Cardiovasc. desarrollo Dis. 4, 19 (2017).

Artículo Google Académico

Wen, CY & Chang, HT Diseño y caracterización de bombas de impedancia sin válvulas. J. Mec. 25, 345–354 (2009).

Artículo MathSciNet Google Académico

Takagi, S. & Takahashi, K. Estudio de una bomba de pistón sin válvulas (2do informe). Toro. JSME 28, 831–836 (1985).

Artículo Google Académico

Jung, E.-O. y Kim, D.-W. Bombeo sin válvulas en un sistema de tanque abierto utilizando un modelo de compartimento de conservación de energía. Toro. Matemáticas coreanas. Soc. 49, 961–987 (2012).

Artículo MathSciNet MATEMÁTICAS Google Académico

Itkin, GP, Buchnev, AS, Kuleshov, AP, Drobyshev, AA & Syrbu, AI Un banco hidrodinámico para probar dispositivos de asistencia circulatoria pediátrica. biomedicina Ing. (Nueva York) 56, 6–10 (2022).

Artículo Google Académico

Descargar referencias

The authors would like to acknowledge the Junta de Castilla y León for funding this work as part of the program "Subvenciones del programa de apoyo a proyectos de investigación financiados por fondos FEDER", project number VA182P20 and a MISTI-Spain La Caixa program 2019.

Departamento de Ingeniería de la Energía y Mecánica de Fluidos e ITAP, Universidad de Valladolid, Paseo del Cauce 59, 47011, Valladolid, España

J. Anatol, M. García-Díaz, C. Barrios-Collado, J. A. Moneo-Fernández, T. Parra, F. Castro-Ruiz & J. Sierra-Pallares

Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas, Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, MA, 02139, EE. UU.

M. Horvath y ET Roche

Departamento de Ingeniería Mecánica, Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, MA, 02139, EE. UU.

ET Roche

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

MG construyó la idea y diseñó el trabajo experimental, JAM-F. crear todo el software utilizado y la electrónica, JAM-F con CB-CJA y FC construyeron la instalación y adquirieron todos los datos, J. SP, conceptualizó, analizó e interpretó los datos, ETR y MH interpretaron los datos. y ETR, TP y JS-P. editó el manuscrito.

Correspondence to J. Sierra-Pallares.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Anatol, J., García-Díaz, M., Barrios-Collado, C. et al. Estudio experimental de una bomba asimétrica sin válvulas para dilucidar los conocimientos sobre las estrategias para el aumento del flujo extravascular pediátrico. Informe científico 12, 22165 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26524-0

Descargar cita

Recibido: 15 junio 2022

Aceptado: 15 de diciembre de 2022

Publicado: 22 diciembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26524-0

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.