Estudio por modelado y simulación computacional 2D mediante elementos finitos de unidades de ultrafiltración para tejido sanguíneo

JOSÉ DI PAOLO; SEBASTIÁN UBAL; JORDÁN F. INSFRÁN

Paraná

Congreso; IV Congreso de Microfluídica Argentina; 2017

Facultad de Ingeniería (Universidad Nacional de Entre Ríos)

La obtención de plasma sanguíneo a partir de sangre humana reviste interés en diferentes áreas de la medicina humana, tanto para análisis clínicos como para el tratamiento de diversas patologías. En algunos casos el plasma es un residuo del proceso, como en terapias basadas en plasmaféresis, en otros se requiere obtenerlo con una alta concentración de un componente celular, como en los procesos de obtención de plasma rico en plaquetas por su potencial osteoinductor dado su alto contenido de factores de crecimiento. En otras situaciones se requiere obtenerlo libre de componentes celulares con el fin de modificar su composición hiedroelectrolítica siendo, éste, el caso en los tratamientos de hemodiálisis donde la terapia se basa fundamentalmente en modificar la composición tanto química como volumétrica del plasma sanguíneo. En este trabajo se presenta un estudio de diferentes modelos geométricos y simulaciones computacionales para unidades de ultrafiltración de dimensiones milimétricas orientadas a la separación de plasma a partir de tejido sanguíneo humano con un hematocrito inferior al normal bajo la restricción de que no deben dañarse los componentes celulares de la sangre. Para esto último, se adopta un criterio de tensión de corte máxima. El tejido sanguíneo se aproxima mediante un fluido complejo compuesto por dos fases, una sólida y otra líquida. La fase sólida se modela mediante un modelo de material hiperelástico de tipo neo-hookeano con el cual se simulan algunas células similares a los glóbulos rojos suspendidas en un medio líquido. La fase líquida se modela empleando la aproximación de Stokes para flujos preponderantemente viscosos. Y la interfase entre fases se modela como frontera móvil haciendo uso de un método ALE (arbitrary Lagrangian-Eulerian) para mallas deformables y remallando en función de la calidad de los elementos de malla. Para producir la ultrafiltración se utilizan, principalmente, dos fenómenos hidrodinámicos: el efecto Fahraeus?Lindqvist y el efecto Zweifach-Fung. El primero cobra importancia en pequeños capilares generando una zona próxima a las paredes libre de células de la cual se puede extraer fluido de suspensión sin componentes figurados, y el segundo permite aprovechar la relación de caudales, gradientes de presión y distribución asimétrica de los esfuerzos de corte entre la entrada y las dos salidas de una bifurcación para dirigir hacia una u otra rama hija de la misma a un glóbulo rojo. Los resultados para cada alternativa modelada, resuelta mediante el método de elementos finitos y postprocesada, muestran predicciones numéricas para las distribuciones de velocidades, presiones, tensiones de corte promedio y máxima, caudales y los coeficientes de ultrafiltración. Aunque las predicciones numéricas para los caudales de ultrafiltrado plasmático que se obtienen arrojan valores reducidos por unidad, las pequeñas dimensiones de las mismas permiten un elevado grado de paralelización.