Design de conduíte com diâmetro expansível para maior fluxo

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 10201 (2023) Citar este artigo

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Os conduítes são comumente usados ​​para tratar lesões em artérias e veias. Os stents convencionais têm formato cilíndrico, o que aumenta a resistência ao fluxo com o comprimento. Este estudo apresenta um desenho de stents e conduítes onde o calibre do conduíte se expande gradualmente para reduzir a resistência e evitar a separação do fluxo. O influxo foi fornecido a partir de um tanque coletor em duas pressões diferentes (isto é, pressão de 10 e 25 mm Hg) para um conduíte cilíndrico ou em expansão. Os calibres iniciais do conduíte eram de 2, 3, 4 e 5 mm e comprimentos de 160, 310 e 620 mm em cada caso. As taxas de fluxo de conduítes de calibre em expansão (a uma taxa de r4–6/cm onde r é o raio inicial do conduíte) foram comparadas com conduítes cilíndricos tradicionais de raio constante. O calibre expandido produz um fluxo significativamente aumentado de 16–55% para expansão R4/L, 9–44% para expansão R5/L e 1–28% para expansão R6/L. Modelos de fluxo simulados usando dinâmica de fluidos computacional (CFD) foram utilizados para validar e expandir os resultados experimentais. A separação do fluxo foi detectada para certas simulações por meio de linhas de fluxo e cálculos de tensão de cisalhamento da parede (WSS). Os resultados mostraram que uma taxa de expansão de calibre de r6/cm é a taxa ideal de expansão para a maioria das aplicações potenciais com separação mínima de fluxo, menor resistência e aumento de fluxo.

Um conduíte com diâmetro expansível é chamado de difusor, que serve para aumentar a pressão de um fluido compressível (isto é, gás) ao longo do comprimento do difusor. Um difusor é usado para condensar gás em motores a jato, motores turbo e bombas de ar que possuem fluxo turbulento em aplicações como bicos de motores a jato1. No corpo humano, as veias possuem calibre expansivo semelhante a um difusor que conduz o sangue (fluido incompressível) para uma função diferente, ou seja, minimizar a resistência ao fluxo. Isto é crítico, pois as veias representam o final da circulação, onde a maior parte da energia motriz gerada pelo coração foi gasta. A energia residual restante (< 5%) deve ser preservada para completar o circuito de fluxo de volta ao coração2,3. Um projeto de conduíte expansível do tipo difusor pode ser superior ao projeto cilíndrico tradicional em funcionalidade, com melhor fluxo e menor gasto de energia em fluxos de Poiseuille.

As tentativas de melhorar o projeto básico de conduítes para aumentar o fluxo têm sido surpreendentemente escassas, considerando que o projeto cilíndrico tradicional foi usado por vários milênios. Atualmente, os métodos disponíveis para aumentar o fluxo incluem bombas de reforço, tanques de armazenamento (energia adicional) e dispositivos como válvulas e tanques de compensação para otimizar o fluxo e suprimir transientes. Estratégias como sifões e desvios também têm sido utilizadas para minimizar o desperdício de energia na transformação do fluxo (cabeça de pressão em velocidade e vice-versa). Conduítes com superfícies polidas minimizam as perdas por atrito; um perfil liso, sem dobras, expansões locais e constrições pode reduzir pequenas perdas4,5.

Aqui, é proposto um novo projeto com calibre em expansão gradual, mostrando uma redução substancial na resistência ao fluxo em relação ao projeto cilíndrico. A melhoria do fluxo é possível modulando o calibre com um comprimento tal que a resistência geral ao fluxo seja reduzida. O desafio é que a expansão do calibre pode criar separação de fluxo. A separação do fluxo ocorre em diferentes sistemas fluídicos, o que impede o fluxo e degrada o desempenho do dispositivo.

Avanços recentes na mecânica dos fluidos experimental e numérica levaram a uma maior elucidação de eventos patológicos na parede interna do vaso (isto é, endotélio). No fundo, um baixo WSS, causado principalmente pela separação do fluxo, é um denominador comum6. Esses estudos foram realizados por meio de reconstrução tridimensional de segmentos arteriais com posterior simulação numérica de fluxo. Métodos de dinâmica de fluidos computacional (CFD) combinados com reconstruções tridimensionais de vasos baseadas em imagens médicas permitem o cálculo de parâmetros hemodinâmicos desejados sob condições de contorno realistas com alta resolução6,7,8,9,10. Simulações numéricas de fluxo foram utilizadas porque medições in vivo precisas de perfis de velocidade nas artérias não são viáveis.