De meeste mensen kennen turbulentie in de luchtvaart:bepaalde windomstandigheden zorgen voor een hobbelige passagiersvlucht. Maar zelfs in menselijke bloedvaten, bloedstroom kan turbulent zijn. Turbulentie kan optreden wanneer bloed langs de bochten of randen van bloedvaten stroomt, waardoor de stroomsnelheid abrupt verandert. Turbulente bloedstroom genereert extra krachten die de kans op vorming van bloedstolsels vergroten. Deze stolsels groeien langzaam totdat ze door de bloedbaan kunnen worden meegenomen en een beroerte kunnen veroorzaken door een slagader in de hersenen te blokkeren.

Mechanische hartkleppen produceren turbulente bloedstromen

Patiënten met kunstmatige hartkleppen lopen een hoger risico op stolselvorming. Het verhoogde risico is bekend uit observatie van patiënten na implantatie van een kunstklep. De risicofactor voor stolling is bijzonder ernstig voor de ontvangers van mechanische hartkleppen, waar de patiënten elke dag bloedverdunners moeten krijgen om het risico op een beroerte te bestrijden. Tot dusver, het is onduidelijk waarom mechanische hartkleppen veel meer stolselvorming bevorderen dan andere kleptypes, bijv. biologische hartkleppen.

Een team van ingenieurs van de Cardiovascular Engineering Group van het ARTORG Center for Biomedical Engineering Research aan de Universiteit van Bern heeft nu met succes een mechanisme geïdentificeerd dat aanzienlijk kan bijdragen aan de vorming van bloedstolsels. Ze gebruikten complexe wiskundige methoden van de hydrodynamische stabiliteitstheorie, een deelgebied van de vloeistofmechanica, die al tientallen jaren met succes wordt gebruikt om zuinige vliegtuigen te ontwikkelen. Dit is de eerste vertaling van deze methoden, die natuurkunde en toegepaste wiskunde combineren, in de geneeskunde.

Met behulp van complexe computersimulaties op vlaggenschip-supercomputers in het Centro Svizzero di Calcolo Scientifico in Lugano, het onderzoeksteam kon aantonen dat de huidige vorm van de stroomregelende flappen van de hartklep leidt tot sterke turbulentie in de bloedstroom. "Door door de simulatiegegevens te navigeren, we ontdekten hoe het bloed invalt aan de voorkant van de klepflappen, en hoe de bloedstroom snel onstabiel wordt en turbulente draaikolken vormt, " legt Hadi Zolfaghari uit, eerste auteur van de studie. "De sterke krachten die in dit proces worden gegenereerd, kunnen de bloedstolling activeren en ervoor zorgen dat zich direct achter de klep stolsels vormen. Supercomputers hebben ons geholpen om één oorzaak van turbulentie in deze kleppen te achterhalen, en de hydrodynamische stabiliteitstheorie heeft ons geholpen om er een technische oplossing voor te vinden."

De mechanische hartkleppen die in het onderzoek zijn gebruikt, bestaan ​​uit een metalen ring en twee scharnierende flappen; de flappen openen en sluiten bij elke hartslag om het bloed uit het hart te laten stromen, maar niet weer terug naar binnen. In de studie, het team onderzocht ook hoe de hartklep kon worden verbeterd. Het toonde aan dat zelfs een enigszins aangepast ontwerp van de klepflappen het bloed liet stromen zonder instabiliteiten te veroorzaken die tot turbulentie leiden - meer als een gezond hart. Een dergelijke doorbloeding zonder turbulentie zou de kans op stolselvorming en beroerte aanzienlijk verkleinen.

Leven zonder bloedverdunners?

Meer dan 100, 000 mensen per jaar krijgen een mechanische hartklep. Vanwege het hoge risico op stolling, al deze mensen moeten bloedverdunners nemen, elke dag, en voor de rest van hun leven. Als het ontwerp van de hartkleppen wordt verbeterd vanuit het oogpunt van vloeistofmechanica, het is denkbaar dat ontvangers van deze kleppen geen bloedverdunners meer nodig hebben. Dit kan leiden tot een normaal leven - zonder de blijvende last van het ontvangen van bloedverdunners. "Het ontwerp van mechanische hartkleppen is sinds hun ontwikkeling in de jaren zeventig nauwelijks aangepast, " zegt Dominik Obrist, hoofd van de onderzoeksgroep van het ARTORG Center. "Daarentegen, veel onderzoek en ontwikkeling is uitgevoerd op andere technische gebieden, zoals vliegtuigontwerp. Als je bedenkt hoeveel mensen een kunstmatige hartklep hebben, het is tijd om ook op dit gebied te praten over ontwerpoptimalisaties om deze mensen een beter leven te geven."

Onderzoeksgroep Cardiovascular Engineering

De groep Cardiovascular Engineering (CVE) van ARTORG bestudeert cardiovasculaire stromen en ziekten, zoals hartklepaandoeningen en een hartaanval. Haar onderzoek heeft tot doel de duurzaamheid en biocompatibiliteit van therapeutische apparaten en implantaten op lange termijn te verbeteren en nieuwe diagnostische hulpmiddelen voor de klinische praktijk te ontwikkelen. CVE-translationele onderzoeksprojecten richten zich op onmiddellijke klinische behoeften die werden geïdentificeerd samen met klinische partners in angiologie, Cardiologie en cardiovasculaire chirurgie bij Inselspital, die van begin tot eind nauw in de projectteams zijn geïntegreerd. Het team exploiteert een experimenteel flowlab met moderne meettechnologie en een computationeel lab om stromingen in het hart en de bloedvaten te modelleren. De experimentele faciliteiten omvatten hogesnelheidscamera's en lasergebaseerde methoden voor driedimensionale stroomkwantificering. De groep ontwikkelt en gebruikt op maat gemaakte computermodellen en supercomputers om biomedische stroomsystemen met vloeistof-structuurinteractie te bestuderen.