介绍3d灌封:一种新型的人工膜肺生产工艺，具有优越的血流设计gydF4y2Ba

目前，人工膜肺由数千个中空纤维膜组成，血液在纤维周围流动，气体在纤维内部流动，实现弥漫性气体交换。在纤维的两端，中空纤维膜和塑料外壳之间的空隙被胶水填充，以将气体与血相分离。在单轴离心过程中，胶水形成“灌封”。固化灌封的形状由离心过程确定，限制了设计的可能性，并导致与血液凝结有关的不利的停滞区。在这项研究中，开发了一种新的多轴离心过程，扩展了灌封的可能形状，并允许在灌封边界内具有潜在的优越血流引导的全新模块设计。在概念人工肺中进行了两相模拟，以探索双轴离心过程的可能性，并确定合适的参数集。建立了相应的双轴离心装置，验证了四种概念设计的可行性并进行了实验验证，结果与模拟结果吻合较好。总而言之，本研究显示了多轴离心过程的可行性，该过程允许更多的灌封形状变化，消除无效的停滞区，并在人工肺中提供更有利的血液流动条件。gydF4y2Ba

图形抽象gydF4y2Ba

在急性呼吸衰竭或慢性肺部疾病的情况下，人工膜肺(ML)经常用于体外气体交换(氧合和脱羧)。MLs是中空纤维膜(HFM)装置，其中血液在纤维周围流动，氧气在纤维内腔内流动。交换是通过氧气和二氧化碳扩散通过HFMs实现的。尽管在材料科学、抗凝管理和流动设计优化方面取得了所有的进步，但由于缺乏血液相容性，MLs的长期使用最多只能限制在几天或几周内[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba］．血栓形成结合蛋白质吸附是最常见的临床并发症，可导致ML气体转移性能下降，增加患者的栓塞风险，甚至导致对患者生存至关重要的设备机械故障[gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba］．MLs中的血栓形成通常与血流停滞有关[gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，非定常截面变化[gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]，非均匀流动分布，特别是关闭流动状态，如转角[gydF4y2Ba8gydF4y2Ba］．这些非理想的流动情况，会导致肌萎缩性侧索硬化症的异常生理血液反应和凝块，是制造过程——所谓的灌封过程——所造成的设计限制的结果。gydF4y2Ba

在制造过程中，HFM垫被安排在外壳的最后位置。在安排之后，壳体内充满铸造化合物，一旦固化，在纤维末端形成灌封，并分离气相和血相。然而，需要一个相反的力来克服作用在纤维之间的毛细力，否则会把化合物拖进束里。为此，通常通过旋转人为地产生加速度场，产生离心力来克服这些毛细力[gydF4y2Ba9gydF4y2Ba］．在技术实现中，光纤端上有灌盖的未灌封模块被放置在离心机上，在操作过程中，生物兼容的聚氨酯或硅胶从远端填充到ML中。灌封材料被压入狭窄的纤维间隙中，并形成由外壳和灌封包围的气密和液密腔[gydF4y2Ba10gydF4y2Ba］．保持离心机的旋转，直到化合物完全固化。由于离心加速度场的径向定向，固化的灌封材料具有一个圆柱形表面，这取决于离心机的直径(图1)。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba）.gydF4y2Ba

根据ML设计，通常基于堆叠或缠绕的纤维垫配置，灌封过程在纤维束的每一面重复。有一个之间的盆栽步骤，两个或多达四个必要的实现圆形毫升(图。gydF4y2Ba1gydF4y2Baa)，一个具有弯曲端面的空心圆柱形(图。gydF4y2Ba1gydF4y2Bab)，一个空心圆柱ML(图。gydF4y2Ba1gydF4y2Bac，左)，或一个立方形状(图。gydF4y2Ba1gydF4y2BaC，右)灌腔[gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba9gydF4y2Ba］．对于多个灌封步骤，设备需要在灌封材料固化后重新定位在离心机上，再次灌封。固化后，除去瓶盖，同时瓶盖将HFMs固定在适当的位置。所述灌封在气体进、出口两侧切割，使纤维为气体流动而打开。然后将聚碳酸酯外壳盖放置在纤维末端，包含气体入口和出口的连接。gydF4y2Ba

具有宽矩形截面的立方MLs总是在灌封面之间有四个角，并且在进口处有一个大的截面膨胀(见图。gydF4y2Ba2gydF4y2Baa).入口区域截面膨胀处常出现凝块[gydF4y2Ba11gydF4y2Ba，gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba13gydF4y2Ba］．此外，由于不均匀的流动分布导致角落的低流量状态，拐角已被证明特别容易凝结[gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba11gydF4y2Ba］．拐角是可以消除的，例如，在离心机的中心一步花盆堆叠毫升，形成血液流动的圆形截面(见图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba) (gydF4y2Ba14gydF4y2Ba，gydF4y2Ba15gydF4y2Ba］．鉴于先前的观察表明，角落代表凝血热点[gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]，圆形ML设计显示了减少凝血的希望，尽管还没有实验证明。尽管如此，灌封的二维对齐所需要的广泛流入扩张仍然是潜在的血栓热点。从入口外壳到灌封的平稳过渡设计也仍然是一个挑战。在空心圆柱形MLs中，偏转点发生在圆柱体的顶部和底部表面，导致灌封和外壳之间的角落停滞区域(图中黄色圈出的区域)。gydF4y2Ba2gydF4y2Bab).在由于垂直定位和中央壶绕MLs而导致端面弯曲的空心圆柱形状的情况下，如INSPIRE (LivaNova PLC，伦敦，英国)[gydF4y2Ba17gydF4y2Ba，gydF4y2Ba18gydF4y2Ba]，已报道其在平稳血液过渡方面的优势[gydF4y2Ba19gydF4y2Ba，gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba］．然而，计算机断层扫描(CT)显示，在纤维末端的流动偏转点，灌封与内筒之间的接触角小于90°，这可能增加了不利的滞止体积(见图。gydF4y2Ba2gydF4y2Bac)。gydF4y2Ba

在生理范围内高效且均匀的灌注和剪切率分布对于设计和改进MLs以避免血栓形成和血液创伤至关重要[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba21gydF4y2Ba］．然而，MLs内部血流的改善仅限于灌封过程的轮廓结果。最先进的盆栽技术创造了角落，容易造成血液创伤和血栓形成，限制了长期使用。gydF4y2Ba

在这里，我们介绍3d灌封，一种基于多个加速度场叠加的新型灌封技术。这种技术实现了多功能的、新颖的ML设计，促进了血液流向纤维束的过渡，并以平滑的、引导流动的形状灌封腔。3d盆栽提供了以前未实现的潜力，消除低效的停滞区，并在MLs中创造更有利的血液流动条件。本研究集中于盆栽设计可实现的两个垂直旋转轴产生的两个加速度场的叠加与单独控制的转速。gydF4y2Ba

本研究的布局由两个耦合轴组成。第一个轴是主离心机的轴。第二轴安装在离心机平台上，装有灌封材料的模块连接到该轴上。主离心机的旋转轴用gydF4y2BaygydF4y2Ba_1gydF4y2Ba坐标系的-轴(gydF4y2BaXYZgydF4y2Ba）gydF4y2Ba_1gydF4y2Ba．第二个旋转轴gydF4y2BaxgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba的坐标系(gydF4y2BaXYZgydF4y2Ba）gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba在模块的中心与。共线gydF4y2BaxgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba．整个加速度场由(1)绕第一个轴的旋转组成gydF4y2BaygydF4y2Ba_1gydF4y2Ba(2)绕第二轴旋转gydF4y2BaxgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba(3)重力gydF4y2BaggydF4y2Ba．对于得到的加速度场的以下数学描述，该模块的坐标系(gydF4y2BaXYZgydF4y2Ba）gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba被认为是静止参考系。外部坐标系(gydF4y2BaXYZgydF4y2Ba）gydF4y2Ba_1gydF4y2Ba假设它随角速度旋转gydF4y2Ba\({-ω\}_ {2}\)gydF4y2Ba绕共线轴gydF4y2BaxgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba而且gydF4y2BaxgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba，而不是模块的旋转与角速度gydF4y2Ba\({\ω}_ {2}\)gydF4y2Ba在gydF4y2BaxgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba-轴如图所示。gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba一个。gydF4y2Ba

第一个旋转轴gydF4y2BaygydF4y2Ba_1gydF4y2Ba可以被描述为依赖于角速度吗gydF4y2Ba\({\ω}_ {2}\)gydF4y2Ba围绕第二个旋转轴gydF4y2BaxgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba：gydF4y2Ba

在无花果。gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba一个,gydF4y2BaygydF4y2Ba_1gydF4y2Ba-轴表示时间点gydF4y2BatgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba= 0 s和之后的时间跨度gydF4y2BatgydF4y2Ba．到那时，gydF4y2BaygydF4y2Ba_1gydF4y2Ba-轴横过一个角度gydF4y2Ba\({-ω\}_ {2}\)gydF4y2BatgydF4y2Ba在gydF4y2BaygydF4y2Ba_1gydF4y2BazgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba飞机。的参数gydF4y2Ba\λ(\ \)gydF4y2Ba描述点的位置gydF4y2BaF \ (\ overrightarrow {} \)gydF4y2Ba在gydF4y2Ba\ (\ overrightarrow {{y} _ {1}} \)gydF4y2Ba用最小的距离gydF4y2Ba\ (\ overrightarrow {{r} _ {p}} \)gydF4y2Ba到任意质量点gydF4y2Ba\ (\ overrightarrow P {} \)gydF4y2Ba与坐标(gydF4y2BaxgydF4y2Ba，gydF4y2BaygydF4y2Ba，gydF4y2BazgydF4y2Ba)在坐标系(gydF4y2BaXYZgydF4y2Ba）gydF4y2Ba_{2，gydF4y2Ba}如图所示。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bab:gydF4y2Ba

因为gydF4y2Ba\ (\ overrightarrow {{r} _ {p}} \补\ overrightarrow {{y} _ {1}} \)gydF4y2Ba，标量积等于零gydF4y2Ba

并允许的确定gydF4y2Ba\λ(\ \)gydF4y2Ba在坐标系中(gydF4y2BaXYZgydF4y2Ba）gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba如下:gydF4y2Ba

从而得到主加速度的分量如下:gydF4y2Ba

二次加速度场gydF4y2Ba\ (\ overrightarrow{{一}_ {2}}\)gydF4y2Ba围绕第二旋转轴保持如下:gydF4y2Ba

在组合中，两种不同的旋转加速度和重力的叠加产生总体加速度gydF4y2Ba\ (\ overrightarrow{{一}_ {p}} \)gydF4y2Ba在质点上gydF4y2Ba\ (\ overrightarrow P {} \)gydF4y2Ba并描述如下:gydF4y2Ba

与加速度矢量(接近)平行的重力场相反，由旋转引起的加速度场具有由其旋转轴决定的径向特性。一个质点通过两个由旋转引起的叠加非同轴加速度场时，根据其位置的不同，会经历瞬时加速度。在这个特定的情况下gydF4y2BaygydF4y2Ba-和gydF4y2BazgydF4y2Ba-字段的分量gydF4y2Ba\ (\ overrightarrow{{一}_ {1}}\)gydF4y2Ba以两倍的频率振荡gydF4y2Ba\(\omega_{2} {/}(2\uppi)\)gydF4y2Ba．灌封材料通过垂直于加速度场的方向进行反应，导致灌封表面的圆形振荡。灌封材料的转速和动态粘度影响振荡高度。gydF4y2Ba

与普通单轴灌封方法获得的圆柱形灌封不同，双轴灌封技术产生了椭球形，如图中虚线所示。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，它可以通过调节模块中的转速和灌封材料的数量来改变大小和长度。这个椭球体的任何一段都可以作为灌封材料的凹形。圆柱形的(gydF4y2BaDgydF4y2Ba= 60毫米，gydF4y2BaHgydF4y2Ba= 110 mm)和立方体模块(90 mm × 90 mm × 25 mm)进行了研究。为了方便模块测量，省略了HFM的合并。gydF4y2Ba

当圆柱形模块放置在两个垂直旋转轴的交点处时，纤维束的两端可以同时装盆，避免了拐角的产生(图5)。gydF4y2Ba4gydF4y2Baa).根据灌封材料的体积分数，模块可以封闭整个椭球形空腔，也可以只使用空腔的一部分，如图所示。gydF4y2Ba4gydF4y2Baa.当应用于立方形MLs时，不利角可以被消除，表面被赋予一个额外的曲率，这可能提供了一个更平滑的流动路径(图1)。gydF4y2Ba4gydF4y2Bab).模块可对角线放置在离心机的中心，并按角度倾斜gydF4y2Ba\α(\ \)gydF4y2Ba在离心机的中心，如图所示。gydF4y2Ba4gydF4y2BaB、做成椭圆形。使用偏心位置，不同的末端可以是不同形状的花盆的组合(图。gydF4y2Ba4gydF4y2Bac，右)或可以产生一个具有更大半轴的椭球体的截面(图。gydF4y2Ba4gydF4y2Bac,左)。在本例中，是倾斜角度gydF4y2Ba\α(\ \)gydF4y2Ba根据从入口到纤维束的过渡需要，可以再次使用。gydF4y2Ba

数值方法gydF4y2Ba

利用计算流体动力学(CFD)来确定产生可行灌封形状的参数集。本次数值研究的所有操作，如网格生成(网格划分)、数值建模(CFX-Pre)、求解(CFX-Solver)和后处理(CFD-Post)，均在Ansys Workbench 2020 R1 (Ansys, Inc.， Canonsburg, USA)中完成。对于圆柱形和立方体流体域这两种模块几何形状，分别生成了包含340万和170万元素的网格。流体域包含空气和硅胶，其体积分数取决于灌封设计。在正常情况下，空气和硅酮都被认为是连续的流体。硅酮被描述为一种纯液体物质，具有制造商数据表(ELASTOSIL RT 620, Wacker Chemie AG，德国慕尼黑)所提供的流体力学性能。没有计算浮力。采用剪切应力输运模型(SST)模拟了两种流体的湍流行为。在连续表面力模型中，假定表面张力系数为0.02 N/m，硅树脂为主要流体。界面相被模拟成自由表面。 The acceleration field described by Eq. (7gydF4y2Ba)定义为流体域中的动量源。gydF4y2Ba

由于两个径向加速度场的叠加而产生的瞬态效应导致灌封材料的表面振荡。在实际应用中，这种振荡可能会在振荡振幅范围内的纤维上产生一层薄薄的灌封材料。因此，这种涂层交换表面可能不有助于气体交换。虽然模拟过程中没有考虑HFM，但我们还是跟踪了灌封材料的表面振荡。作为一种被污染的HFM表面的测量方法，随着时间的推移累积的硅的局部存在通过时间步长的数量归一化。为此，将体积分数大于0.5设置为硅的存在判据。这个体积被灌封的最终表面积归一化，作为振荡高度的近似gydF4y2Ba\ ({h} _ {0} \)gydF4y2Ba．因此，假定膜纤维被灌封材料覆盖的高度为gydF4y2Ba\ \(压裂{{h} _ {0}} {2} \)gydF4y2Ba．旋转分辨率为5°每时间步，每转72步。2.5转后，即180个时间步，在三圈内计算硅的局部存在gydF4y2BaxgydF4y2Ba设在。gydF4y2Ba

实验装置gydF4y2Ba

开发了一个实验装置，以验证在考虑固化过程下的最终形状，并测试可行性，如图所示。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba．为此，对现有的离心机进行了升级，增加了与主轴垂直的旋转轴。该离心机的概念是在工业间歇离心机的框架中，具有直径1米的水平安装板(GZ 1000, Carl Padberg Zentrifugenbau GmbH, Lahr, Germany)，并可在高达750转/分钟的转速下操作。二次离心机的轴由75 W无刷直流电机(EC-i30, Maxon Motor AG, Sachselen, Switzerland)驱动，公称转速为6879 rev/min，公称扭矩为107 mNm。通过在主离心机中心放置一个旋转传动装置(RX-RF-056B-QI1-04014S, B-COMMAND GmbH，汉堡，德国)，为批式离心机外壳内的电机提供能量供应。该轴由聚氨酯MXL齿形皮带(MISUMI Group Inc.， Tokyo, Japan)驱动，传动比为3:1。出于平衡的考虑，二次旋转轴对称地安装在主离心机平台上两次。此外，这些轴以相反的方向旋转，以防止相互之间的旋转不平衡。gydF4y2Ba

模块可以放置在中心位置或偏心位置，其中“中心位置”是在两个旋转轴的交点，如图所示。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba一个和gydF4y2Ba4gydF4y2Bab.“偏心位置”依次意味着模块被放置在与主离心轴外径相对的位置上，如图所示。gydF4y2Ba4gydF4y2Bac.硅胶体积分数由硅胶体积与模块总体积之比定义。转速比参数gydF4y2BangydF4y2Ba_2gydF4y2Ba/gydF4y2BangydF4y2Ba_1gydF4y2Ba定义为第二轴与第一个轴的转数之比。对于实验方法和数值方法，本研究使用的设计点(DPs)总结在表中gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

盆栽形状的验证gydF4y2Ba

为了定性比较灌封后模拟的灌封形状，定义了一个等面来表示空气和硅胶之间的边界面。等面是由硅存在的时间平均概率为0.5确定的。此外，还确定了特性测量值，对不同设计的灌封形状进行定量比较，以测量不同设计的曲率，以便将它们与转速比联系起来。对于中心装缸，我们比较了轴向距离gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba相对曲率与间隙宽度之间的关系gydF4y2BabgydF4y2Ba仿真与实验中对圆边之间的间距，如图所示。gydF4y2Ba6gydF4y2Baa.对于中心盆栽，对角线倾斜的长方体，距离gydF4y2BacgydF4y2Ba”,gydF4y2BacgydF4y2Ba”,gydF4y2BadgydF4y2Ba”,gydF4y2BadgydF4y2Ba在外截面平面″处进行实验验证(图。gydF4y2Ba6gydF4y2Bab)。gydF4y2BacgydF4y2Ba”,gydF4y2BacgydF4y2Ba″以及gydF4y2BadgydF4y2Ba”,gydF4y2BadgydF4y2Ba″被平均为单个值gydF4y2BacgydF4y2Ba而且gydF4y2BadgydF4y2Ba,分别。在偏心装罐圆柱形模组的情况下，其高度在中心加深gydF4y2BaegydF4y2Ba在圆边处gydF4y2BafgydF4y2Ba测量，如图所示。gydF4y2Ba6gydF4y2Bac.立方模的特征曲率gydF4y2BaggydF4y2Ba而且gydF4y2BahgydF4y2Ba从对角线的中平面到两个切割平面上的曲率极值进行测量(图。gydF4y2Ba6gydF4y2Bad)。gydF4y2Ba

在相同的DPs下，对相同的模块几何形状进行了模拟和实验。数字gydF4y2Ba7gydF4y2Baa说明了来自模拟(上行)和实验(下行)的结果，中心盆栽，立方体模块在三个不同的DPs。模块与椭球对角线相交，形成椭圆截面。垂直半轴随转速比的增大而增大gydF4y2BangydF4y2Ba_2gydF4y2Ba/gydF4y2BangydF4y2Ba_1gydF4y2Ba．数字gydF4y2Ba7gydF4y2Ba的值gydF4y2BacgydF4y2Ba而且gydF4y2BadgydF4y2Ba在不同的速度比下进行实验和模拟。值得注意的是，另半轴的长度gydF4y2BacgydF4y2Ba相比之下只有轻微的变化gydF4y2BadgydF4y2Ba．模拟与实验的最大误差为4.6%(绝对3.17 mm)gydF4y2BacgydF4y2Ba发生在最低转速比。gydF4y2Ba

偏心定位的长方体内的灌封形成一个弯曲的抛物面，如图所示。gydF4y2Ba7gydF4y2Bab.随着转速比的增加，抛物线特性增大。在最高的转速比下，表面似乎会扭曲。当壳体边界处的表面法线点远离像平面时，抛物线曲率最小处的表面法线点则指向像平面内。gydF4y2Ba7gydF4y2Bab).实验与模拟在特征测度上的差异最大gydF4y2BangydF4y2Ba_2gydF4y2Ba/gydF4y2BangydF4y2Ba_1gydF4y2Ba= 2.0, 13.2%(绝对1.39 mm)gydF4y2BaggydF4y2Ba．所有其他偏差gydF4y2BaggydF4y2Ba其余DPs均小于6.6%。在相同转速比下，对的偏差gydF4y2BahgydF4y2Ba最高为2.7%(绝对0.7毫米)。gydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba8gydF4y2BaA比较了中心盆栽圆柱形模组的模拟和实验结果。对于第一个DP (gydF4y2BangydF4y2Ba_2gydF4y2Ba/gydF4y2BangydF4y2Ba_1gydF4y2Ba= 0.66)，灌封质量分离成两个相同体积的部分，每个部分形成一个圆顶。通过增加转速比，两圆顶似乎在第二秒内融合在一起(gydF4y2BangydF4y2Ba_2gydF4y2Ba/gydF4y2BangydF4y2Ba_1gydF4y2Ba= 1.0)和第三个DPs (gydF4y2BangydF4y2Ba_2gydF4y2Ba/gydF4y2BangydF4y2Ba_1gydF4y2Ba= 1.5)。对于第二个DP，只有一层薄薄的(100-200 μ m)灌封材料连接两个圆顶。在较高的DPs下，模拟并不能预测花盆和外壳之间相同的接触角，因此，即使在较高的转速比下，两个独立的部分也不会合并。然而，特征测量结果与实验结果一致，最大误差为3.6%gydF4y2BabgydF4y2Ba(绝对1.1 mm)在最低转速比下(图5)。gydF4y2Ba8gydF4y2Baa).的相对误差gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba低于2.7%(绝对2毫米)。gydF4y2Ba

同样，圆柱形模块偏心灌封布置的结果如图所示。gydF4y2Ba8gydF4y2Bab.正如已经指出的，对于中心装罐的圆柱形模块，模拟预测的外壳和灌封质量之间的接触角与实验中看到的从灌封到外壳的近切向过渡不同。仍然，最大误差为3.6%(绝对1.38毫米)gydF4y2BafgydF4y2Ba在第二站(gydF4y2BangydF4y2Ba_2gydF4y2Ba/gydF4y2BangydF4y2Ba_1gydF4y2Ba= 2.0)。为gydF4y2BaegydF4y2Ba，偏差小于2.8%(绝对1.0 mm)。gydF4y2Ba

两个径向加速度场叠加引起的瞬态效应引起了局域振荡。这些局部振荡在最终的灌封表面产生了不确定性。数字gydF4y2Ba9gydF4y2Ba说明了每种灌封结构的振荡高度。表面振荡的平均振幅为gydF4y2Ba\ \(压裂{{h} _ {0}} {2} \)gydF4y2Ba．因此，这个值描述的是膜表面在过程中与灌封材料接触，可能无法进行气体交换的范围。的值gydF4y2Ba\ \(压裂{{h} _ {0}} {2} \)gydF4y2Ba范围从0.51毫米到0.911毫米，除了中央花盆，圆柱形模块。在这种情况下，振荡高度在0.97 ~ 1.36 mm之间。对于两个中心花盆模块，振荡高度随转速比的增大而减小。gydF4y2Ba

血栓形成的MLs阻止长期使用由于生理异常的流动条件。拐角、与流动隔绝的区域或停滞区特别促进血栓生长，由于缺乏对流，通常在气体传输性能方面效率低下。然而，在当代基于单轴离心的灌封工艺中，目前基于HFMs的ML的设计非常有限。多重加速场的叠加导致了MLs新的灌封形状。本研究评估了具有两个耦合旋转的多轴离心过程，并进行了模拟以寻找有意义的灌封形状。所使用的双轴模型在测试设置中成功实现，验证了数值方法并证明了概念。gydF4y2Ba

3d灌封允许在MLs中进行新的和改进的流路设计。在现代的中空圆柱形纤维囊中，血液通过底部的内芯进入纤维束。这种设计使血液均匀地流经纤维束的大部分，除了花盆和外壳之间的角落(图。gydF4y2Ba2gydF4y2Bab).当3d灌封应用于底端灌封时，这些滞止区域可能被灌封材料填满(图5)。gydF4y2Ba10gydF4y2Baa). Bartlett等gydF4y2Ba．gydF4y2Ba［gydF4y2Ba15gydF4y2Ba甚至为预防血栓形成提出了一个完美的圆形设计，减少了再循环和停滞的面积，从而最大限度地减少了不稳定的截面变化。为此，可以在一个堆叠的膜束上应用圆柱中心灌封，其中入口和出口孔位于相对圆顶的每个中心(图。gydF4y2Ba10gydF4y2Bab).血液可能从底部圆顶的入口进入，在那里横断面缓慢扩张。接近顶部时，横截面收敛，将血液收集到出口。gydF4y2Ba

立方中心排列为具有矩形截面的立方MLs提供了一个有趣的机会。椭圆的横截面将消除角。此外，由于进口和出口在椭圆形的两端，灌封轮廓将引导流体均匀地通过纤维束(图。gydF4y2Ba10gydF4y2Bac).此外，立方中心布置的椭圆形截面积可使纤维沿短半轴对齐，以获得适合于高CO的短纤维长度gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba删除(gydF4y2Ba22gydF4y2Ba］．此外，该设计仍将受益于叠层AL在较低压降方面的优势。这种设计也可以通过两步灌封工艺中的长方体偏心布置来实现。而不是一个椭圆形，结果将是一个透镜截面积。gydF4y2Ba

尽管3d盆栽具有明显的潜力和前景，但这项研究目前只能提供概念验证。很明显，下一步将包括拟议设计的流动模拟和与商业MLs相比的体外测试，如图所示。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，以量化3d盆栽的优势。gydF4y2Ba

在将3d灌封方法转化为生产真正的MLs的过程中，一个主要的挑战是在不预先润湿用于气体交换的HFMs的情况下将化合物填充到ML中。目前，采用通道或管道连接离心机外部与灌封区，使用滑环被动输送灌封材料[gydF4y2Ba18gydF4y2Ba］．对于本研究中介绍的设置，两个滑环可以串联使用[gydF4y2Ba23gydF4y2Ba］．其他技术解决方案可以包括在离心分离机内建立一个与ML相连的贮水池，该贮水池位于产生的椭球体内部，或使用离心力或主动泵送释放化合物[gydF4y2Ba10gydF4y2Ba］．化合物的注入可以通过与离心机一起旋转的通道从离心机外部进行[gydF4y2Ba18gydF4y2Ba，gydF4y2Ba24gydF4y2Ba，gydF4y2Ba25gydF4y2Ba，gydF4y2Ba26gydF4y2Ba]或使用离心机内的储液器，通过控制驱动系统释放灌封化合物。gydF4y2Ba

到目前为止，在我们的测试中，在模拟和实验中都忽略了HFMs的加入。这种方法是由实验中模块对测量的可访问性所证明的。关于灌封形状，假定引入模块的灌封材料量由HFMs阻塞的体积分数调整，则预期不会有差异。否则，半轴的长度将相当小。此外，三维灌封作用在纤维上的力与传统灌封相同。此外，纤维束通常在盆栽前密集地填充在外壳中，或通过其他方法固定在原地。因此，我们并不认为纤维的扭结或纤维束的局部压实会在以后引起潜在的分流流。然而，振荡高度必须重新评估。灌封材料与膜表面之间的摩擦和毛细效应等因素可能会影响模拟中确定的瞬态振荡高度，从而影响表面光滑度。此外，惯性力，取决于灌封材料的密度，影响跟随施加的加速度的趋势。 However, these viscous and inertia-dependent effects would dampen rather than enhance the oscillation height. Then again, the porosity of the fiber bundle, which relates the void volume and the volume obstructed by fibers, may potentially increase oscillation height depending on the local presence or absence of fibers within the oscillation height. Tests with real fiber mats in place are necessary to validate the impregnated fiber length due to the oscillation effect. In the simulations, the fluid domains could be transformed into porous domains with a porosity that describes the proportion of free volume to total volume.

这些模拟已经被证明是一个有价值的工具，可以识别硅树脂的体积分数和转速的参数，以确定进一步开发适用于人工肺的有意义的设计的起点。对于本研究中提出的四个案例，模拟被认为是经过实验验证的。测量的最高误差为13.2%。但是，该误差发生在一个非常低的参考值上，绝对误差仅为1.39 mm，在振荡高度范围内。模拟的一个主要限制是在中心灌罐的圆柱形模块的灌罐表面和壳体壁之间的接触角的不正确表示。因此，虽然实验中灌封质量的部分合并，但在模拟中无法观察到这种效应。尽管如此，物理的复杂性和各种参数的相互作用需要良好的空间想象力。然而，模拟应该始终被认为是现实的简化模型，因此需要经过实验验证。gydF4y2Ba

两个以上叠加的旋转加速度甚至平动加速度的进一步组合将是另一项研究的主题。这些额外的变体将产生更多样化的腔体，为人工肺和各种膜模块提供各种设计机会。然而，并不是所有的旋转和平移组合都能得到一个具有可接受的表面振荡的稳定端点，因此需要模拟和实验相结合的研究方法。gydF4y2Ba

介绍了一种基于多轴离心的膜模块三维灌封的新方法。这项研究为有意义的设计提供了可行参数集的数值识别和实验验证作为概念的证明。基于这种新的灌封技术，可能会出现各种新颖的设计，改善流动路径和更低的滞留体积，以克服最先进的灌封工艺的限制，提高人工肺的长期稳定性和效率。gydF4y2Ba

由Projekt DEAL支持和组织的开放获取资金。这项研究没有从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何具体的资助。gydF4y2Ba

作者指出gydF4y2Ba

1. 塞巴斯蒂安·v·詹森和尤塔·阿伦斯对这篇手稿做出了同样的贡献。gydF4y2Ba

从属关系gydF4y2Ba

1. 亚琛工业大学赫姆霍兹研究所应用医学工程研究所心血管工程系，德国亚琛保威尔斯街20,52074gydF4y2Ba

   Felix Hesselmann, Jannis M. Focke, Peter C. Schlanstein, Niklas B. Steuer, Andreas Kaesler, Thomas Schmitz-Rode, Ulrich Steinseifer, Sebastian V. Jansen & Jutta ArensgydF4y2Ba

2. 亚琛工业大学诊断和介入放射科，德国亚琛Pauwelsstrasse 30, 52074gydF4y2Ba

   Sebastian D. ReinartzgydF4y2Ba

3. 特温特科技大学工程学院生物机械工程系，荷兰恩斯赫德市德里恩罗拉安5,7522 NBgydF4y2Ba

   任何人阿伦斯gydF4y2Ba

贡献gydF4y2Ba

FH涉及概念化、形式分析、调查、方法论、可视化和撰写原始草案;JMF在形式分析、调查、可视化、写作评论和编辑方面做出了贡献;PCS参与了概念化、方法论、调查和写作审阅与编辑;NBS和AK在概念化、调查、撰写和编辑方面做出了贡献;SDR在可视化、审稿编辑等方面提供了帮助;TSR, US, SVJ和JA都参与了撰写和编辑。gydF4y2Ba

相应的作者gydF4y2Ba

对应到gydF4y2BaFelix HesselmanngydF4y2Ba．gydF4y2Ba

利益冲突gydF4y2Ba

作者声明没有利益冲突。gydF4y2Ba

伦理批准gydF4y2Ba

本文不包含任何作者对人类或动物进行的任何研究。gydF4y2Ba

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