Estudo experimental de uma bomba assimétrica sem válvula para elucidar insights sobre estratégias para aumento do fluxo extravascular pediátrico

May 16, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 22165 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O bombeamento assimétrico é uma subcategoria do bombeamento sem válvula em que um tubo flexível é comprimido ritmicamente no plano de simetria transversal. Devido à assimetria resultante entre os tubos de sucção e descarga, é alcançada uma altura líquida de bombeamento. O bombeamento assimétrico é considerado um dos principais mecanismos responsáveis ​​pelo efeito Liebau, além do bombeamento por impedância. No entanto, ainda há uma escassez de pesquisas em torno dos parâmetros governantes do bombeamento assimétrico. Aqui, realizamos um estudo experimental do desempenho de uma bomba assimétrica, com o objetivo de avaliar seu potencial de aumento do fluxo extravascular. Um tubo de látex flexível personalizado e uma plataforma experimental foram desenvolvidos para essa finalidade. Testamos várias espessuras de tubos e frequências de pinçamento. Nossos resultados demonstram que o desempenho está dentro da faixa de requisitos fisiológicos para aparelhos circulatórios pediátricos (~ 1 L/min e < 30 mmHg). Concluímos que, devido à ausência de fluxo reverso e sua simplicidade mecânica, o bombeamento assimétrico puro é promissor para aplicações cardiovasculares selecionadas com menos complexidade do que outras técnicas sem válvula.

A categoria de bombeamento sem válvulas abrange fenômenos que podem gerar um fluxo controlado e unidirecional sem válvulas. Um dos mecanismos de bombeamento sem válvulas mais estudados é o efeito Liebau1. A bomba Liebau é um pequeno dispositivo constituído por um tubo elástico reto com dois segmentos diferenciados: um segmento mais largo e mais distensível e um segmento estreito e rígido. Após a compressão cíclica do segmento mais largo, um fluxo líquido é alcançado em direção ao segmento mais estreito. O efeito Liebau pode ser explicado como a superposição de dois mecanismos de bombeamento diferentes: bombeamento de impedância e bombeamento assimétrico2.

O bombeamento de impedância ocorre em um circuito onde um tubo compatível é conectado a tubos rígidos, criando uma diferença acentuada na impedância. Devido a isso, as ondas de pressão são fortemente refletidas em ambas as extremidades dos tubos complacentes. Além disso, o alicate não é colocado no plano de simetria do tubo complacente. Como resultado do pinçamento, a energia mecânica é adicionada ao fluido, principalmente na forma de pressão. Essas ondas de pressão viajam da região de aperto em direção a ambas as extremidades do tubo complacente, onde são refletidas. Como o pincher não está equidistante de ambas as extremidades, as ondas de pressão refletidas não se anulam, gerando um campo de pressão que cria o efeito de bombeamento3.

Por outro lado, no bombeamento assimétrico, o atuador está localizado no plano de simetria do tubo complacente e, portanto, as ondas de pressão refletidas se cancelam. A principal característica do bombeamento assimétrico é que uma assimetria na resistência hidráulica dos tubos rígidos é necessária para atingir o bombeamento. Para ilustrar esta classificação, a Fig. 1 considera o comprimento como único parâmetro assimétrico, e inclui um exemplo que não atingiria o bombeamento (Fig. 1d). Mais amplamente, a assimetria pode ser alcançada variando o diâmetro, material ou desenho do tubo complacente. Em todos os casos, o efeito de bombeamento é gerado por ondas de pressão de pulso que viajam pelo sistema. A assimetria resulta em um gradiente líquido de pressão axial4.

Impedância e bombeamento assimétrico ilustrando a assimetria ao longo do comprimento da tubulação compatível. (a) Mista (efeito Liebau), (b) impedância, (c) assimétrica e (d) sem sistemas de bombeamento. SP = plano de simetria.

Desde sua descoberta em meados do século XX, numerosos estudos descreveram o mecanismo da bomba de Liebau - um dispositivo mecanicamente simples com um mecanismo dinamicamente complexo. As aplicações práticas da bomba Liebau são diversas, desde a assistência cardiovascular até a eletrônica. Para analisar os princípios fundamentais que regem esse fenômeno, Hickerson et al. 5 demonstraram experimentalmente a sensibilidade do bombeamento de Liebau a vários parâmetros, incluindo mudanças na posição do pinça, tamanho e frequência de compressão, pressão transmural, resistência sistêmica e materiais em um circuito fechado. Hickerson e Gharib6 continuaram esses experimentos para mostrar a mecânica ondulatória necessária para o acúmulo de pressão e fluxo líquido. As medições de ultrassom das propriedades transitórias e ressonantes foram usadas para relacionar as respostas em massa à mecânica da bomba. Wen et al.7 realizaram um estudo experimental de uma bomba Liebau para gerenciamento térmico de sistemas eletrônicos de alto desempenho, mostrando sua viabilidade para resfriamento eletrônico. De uma perspectiva de modelagem analítica e computacional, vários estudos examinaram o fenômeno8,9,10,11, muitas vezes usando abordagens unidimensionais para resolver balanços de momento e massa e comparando resultados experimentais e analíticos. Notavelmente, Avrahami e Gahrib4 conduziram uma simulação completa de interação fluido-estrutura de uma bomba Liebau, que explicou de forma abrangente os fenômenos físicos subjacentes ao bombeamento de ondas. Do ponto de vista da aplicação, Pahlevan e Gharib2 realizaram uma investigação in vitro de um efeito de bombeamento de onda potencial na aorta humana, mostrando a diferença no bombeamento assimétrico e de impedância e concluindo que a propagação e a reflexão da onda podem resultar em um mecanismo de bombeamento em uma aorta complacente . Recentemente, Davtyan e Sarvazyan12 confirmaram a viabilidade fisiológica do bombeamento baseado em Liebau em uma configuração experimental usando vasos de tamanho anatômico, demonstrando desempenho de bombeamento comparável ao de bombas peristálticas de tamanho semelhante.