Design del condotto con diametro espandibile per un flusso migliore

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10201 (2023) Citare questo articolo

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I condotti sono comunemente usati per il trattamento delle lesioni nelle arterie e nelle vene. Gli stent convenzionali hanno una forma cilindrica, che aumenta la resistenza al flusso con la lunghezza. Questo studio presenta un design di stent e condotti in cui il calibro del condotto si espande gradualmente per ridurre la resistenza evitando la separazione del flusso. L'afflusso veniva fornito da un serbatoio di accumulo a due diverse pressioni (vale a dire, pressione di 10 e 25 mm Hg) in un condotto cilindrico o espandibile. I calibri iniziali del condotto erano di 2, 3, 4 e 5 mm e lunghezze di 160, 310 e 620 mm in ciascun caso. Le portate dei condotti di calibro espandibile (ad una velocità di r4–6/cm dove r è il raggio iniziale del condotto) sono state confrontate con i tradizionali condotti cilindrici a raggio costante. Il calibro espanso produce un flusso significativamente maggiore del 16–55% per l'espansione R4/L, del 9–44% per l'espansione R5/L e dell'1–28% per l'espansione R6/L. Per convalidare ed espandere i risultati sperimentali sono stati utilizzati modelli di flusso simulati utilizzando la fluidodinamica computazionale (CFD). La separazione del flusso è stata rilevata per alcune simulazioni mediante calcoli delle linee di flusso e dello sforzo di taglio delle pareti (WSS). I risultati hanno mostrato che un tasso di espansione del calibro di r6/cm è il tasso di espansione ottimale per la maggior parte delle potenziali applicazioni con separazione minima del flusso, resistenza inferiore e flusso maggiore.

Un condotto con diametro in espansione è chiamato diffusore e serve ad aumentare la pressione di un fluido comprimibile (cioè gas) lungo la lunghezza del diffusore. Un diffusore viene utilizzato per condensare il gas nei motori a reazione, nei motori turbo e nelle pompe ad aria con flusso turbolento in applicazioni come gli ugelli dei motori a reazione1. Nel corpo umano le vene hanno un calibro espandibile simile ad un diffusore che conduce il sangue (fluido incomprimibile) per una funzione diversa, cioè per minimizzare la resistenza al flusso. Questo è fondamentale poiché le vene rappresentano la coda della circolazione dove è stata spesa la maggior parte dell'energia motrice generata dal cuore. L'energia residua rimanente (< 5%) deve essere preservata per completare il circuito di flusso verso il cuore2,3. Un tipo di condotto espandibile con design a diffusore può essere superiore al tradizionale design cilindrico in termini di funzionalità con un flusso migliore e un minore dispendio di energia nei flussi di Poiseuille.

I tentativi di migliorare la progettazione di base delle condutture per aumentare il flusso sono stati sorprendentemente scarsi, considerando che il tradizionale design cilindrico è stato utilizzato per diversi millenni. Attualmente, i metodi disponibili per aumentare il flusso includono pompe booster, serbatoi di stoccaggio (energia aggiuntiva) e dispositivi come valvole e autoclavi per ottimizzare il flusso e sopprimere i transitori. Sono state utilizzate anche strategie come sifoni e bypass per ridurre al minimo lo spreco energetico derivante dalla trasformazione del flusso (prevalenza in velocità e viceversa). I condotti con superfici lucide riducono al minimo le perdite per attrito; un profilo liscio senza piegature, espansioni locali e costrizioni può ridurre perdite minori4,5.

Qui viene proposto un nuovo design con un calibro in graduale espansione, che mostra una sostanziale riduzione della resistenza al flusso rispetto al design cilindrico. Il miglioramento del flusso è reso possibile modulando il calibro con una lunghezza tale da ridurre la resistenza complessiva al flusso. La sfida è che l’espansione del calibro può creare separazione del flusso. La separazione del flusso avviene in diversi sistemi fluidici, il che impedisce il flusso e riduce le prestazioni del dispositivo.

I recenti progressi nella meccanica dei fluidi sperimentale e numerica hanno portato a una maggiore delucidazione degli eventi patologici a livello della parete interna del vaso (cioè dell'endotelio). Al centro di tutto ciò, un basso WSS, causato principalmente dalla separazione del flusso, è un denominatore comune6. Questi studi sono stati eseguiti mediante ricostruzione tridimensionale di segmenti arteriosi con successivi studi di simulazione numerica del flusso. I metodi di fluidodinamica computazionale (CFD) combinati con le ricostruzioni vascolari tridimensionali basate sull'imaging medico consentono il calcolo dei parametri emodinamici desiderati in condizioni al contorno realistiche con alta risoluzione6,7,8,9,10. Sono state utilizzate simulazioni numeriche del flusso perché non sono possibili misurazioni accurate in vivo dei profili di velocità nelle arterie.