Wir freuen uns, unserem Doktoranden Seyyed Hossein Monsefi Estakhrposhti zur Veröffentlichung seines peer-reviewed Artikels mit dem Titel „Optimizing hollow fiber membrane oxygenators: A multi-objective approach for improved gas exchange and reduced blood damage“ im Journal of Membrane Science. Diese Veröffentlichung liefert wichtige Erkenntnisse über eine der wichtigsten Herausforderungen bei extrakorporalen Lebenserhaltungssystemen: das Gleichgewicht zwischen effizientem Gasaustausch und der Minimierung von Blutverletzungen.

Die extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO) ist eine lebensrettende Technologie, die bei der Behandlung von Patienten mit schwerem Herz- und Lungenversagen eingesetzt wird. Ihre klinische Anwendung wird jedoch häufig durch schwerwiegende Komplikationen wie Hämolyse und Thrombose eingeschränkt. Diese Probleme verdeutlichen den dringenden Bedarf an verbesserten Designs für Hohlfasermembran-Oxygenatoren (HFMO), die die Leistung steigern und gleichzeitig die Biokompatibilität gewährleisten.

In dieser Studie wird ein robustes, multikriterielles Optimierungsverfahren vorgestellt, mit dem die Effizienz des Oxygenators verbessert und Blutschäden reduziert werden können. Durch den Einsatz eines zweidimensionalen CFD-Modells (Computational Fluid Dynamics), das durch Mikro-PIV-Messungen validiert wurde, werden 200 Konfigurationen von Hohlfaserbündeln bewertet. Diese sind durch geometrische Schlüsselparameter (Faserdurchmesser, Verhältnis von Abstand zu Durchmesser und Faserwinkel) und Betriebsbedingungen (Blutflussrate) definiert.

Es wurden drei Leistungsziele untersucht:

•    Spezifische CO₂-Entfernung (repräsentiert die Effizienz des Gasaustauschs),
• Verhältnis zwischen toter Zone und Gesamtfläche (ein Indikator für das Thrombosepotenzial),
• Hämolyse-Index (der die Schädigung der roten Blutkörperchen quantifiziert).

Diese Ziele wurden mit multivariaten Polynomfunktionen mit unbekannten Exponenten modelliert und mit einem modifizierten erweiterten Jaya-Algorithmus optimiert. Sowohl Einzel- als auch Mehrziel-Optimierungsstrategien wurden unter Verwendung der Pareto-Front-Analyse angewandt, gefolgt von Entscheidungstechniken wie der gewichteten Summe und der Zielprogrammierung.

Zu den wichtigsten Ergebnissen gehören eine maximale spezifische CO₂-Entfernung von 250,3 mLCO₂ min-¹ m-², ein minimales Totzonenverhältnis von 0,0254 % und ein Hämolyseindex von nur 0,011 × 10-³ %. In der Studie wird das Verhältnis von Abstand zu Durchmesser als der einflussreichste geometrische Faktor identifiziert, der alle Zielvorgaben beeinflusst. Optimale Designs zeichnen sich durch einen kleinen Faserdurchmesser, einen geringen Neigungswinkel, ein moderates Verhältnis von Abstand zu Durchmesser und eine hohe Blutflussrate aus, was ein sorgfältiges Gleichgewicht zwischen verbesserter Leistung und reduzierter biologischer Belastung demonstriert.

Die im Journal of Membrane Science, einer sehr angesehenen Fachzeitschrift auf dem Gebiet der Membranforschung und -trennungstechnologien, veröffentlichte Arbeit bildet eine solide Grundlage für die künftige Entwicklung von sichereren, effizienteren Oxygenatoren für die Intensiv- und Notfallmedizin.

Den ganze Artikel (auf Englisch) finden Sie hier: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738825005411?via%3Dihub, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster