Optimización de microdispositivos magnéticos para purificación sanguínea

_

¿Por qué es tan importante la separación de toxinas con partículas magnéticas?

El uso de partículas magnéticas se ha expandido recientemente para un proceso conocido como desintoxicación en el que diferentes toxinas se capturan extracorporalmente del torrente sanguíneo de pacientes intoxicados.

La desintoxicación de los biofluidos es el tratamiento más concebible en un gran número de condiciones clínicas, algunas de ellas asociadas con altas tasas de mortalidad, como la sepsis. Esta es una enfermedad letal causada por una infección microbiana que se propaga a través del torrente sanguíneo para debilitar las defensas del cuerpo. Representa la principal causa de muerte en las unidades de cuidados intensivos hospitalarios, afectando a 18 millones de personas anualmente y contabilizando más de 200,000 muertes anualmente solo en los Estados Unidos.

La tasa de mortalidad puede aumentar hasta un 9% por cada hora antes de que  la administración proporcione la terapia correcta. Por lo tanto, la eliminación rápida de las toxinas es de suma importancia incluso en las unidades de cuidados intensivos más modernas del hospital.

Descubrimos que las limitaciones de los tratamientos actuales requieren el desarrollo de nuevas estrategias, como el uso de perlas magnéticas como agentes secuestrantes de toxinas.

A partir de los múltiples microseparadores magnéticos desarrollados en la última década, propusimos el uso de sistemas de flujo continuo de dos fases. Estos sistemas pueden ser la mejor alternativa porque se evitan las restricciones de flujo y cualquier degradación del biofluido (es decir, el atrapamiento no específico de las células en la región de captura), manteniendo así la eficacia y la capacidad del sistema a lo largo del tiempo. Sin embargo, la optimización de estos procesos ha sido menos estudiada y el diseño racional a menudo es deficiente debido a la complejidad asociada con su descripción matemática. Por lo tanto, modelamos la separación de perlas magnéticas de las corrientes sanguíneas que fluyen dentro de un sistema de múltiples fases con FLOW-3D con el fin de optimizar el diseño de los procesos de desintoxicación extracorpórea.

Enfoque de modelado con FLOW-3D

El modelo para predecir el transporte de partículas magnetoporéticas dentro del bioseparador que se muestra en la Fig. 1 consiste en un enfoque euleriano-lagrangiano basado en CFD. Usamos el marco lagrangiano para modelar la dinámica del cordón, mientras que el transporte de fluidos, que se predice al resolver las ecuaciones de Navier-Stokes, se calcula con un enfoque euleriano. De acuerdo con el enfoque lagrangiano, las partículas se modelaron como unidades discretas y la trayectoria de cada una se estimó aplicando la dinámica newtoniana clásica. Obtuvimos diferentes trayectorias de las partículas y, por lo tanto, eficaces separaciones al variar la distancia entre la pared inferior del canal y la parte superior del imán, manteniendo las mismas velocidades de entrada de los fluidos (0.035 m · s-1 para el buffer y 0.01 m · s-1 para solución de sangre).

Resultados de la magnetoforesis de partículas

Al variar la posición del imán, demostramos que se generan gradientes variables de campo magnético y, por lo tanto, se obtuvieron diferentes separaciones.

Para distancias entre 0 y aproximadamente 1 mm, todas las partículas se separan independientemente de su posición original en la entrada. Para distancias más grandes, la separación es incompleta debido a las bajas fuerzas magnéticas.

Las fuerzas magnéticas que van de medias a altas son necesarias para lograr una separación de partículas completa. Sin embargo, hemos demostrado que las altas fuerzas magnéticas no son adecuadas para propósitos de desintoxicación debido a la extrema aceleración de las partículas que conduce a perturbaciones de los patrones de flujo y a la interrupción del interfaz de fluido. Por lo tanto, se emplearon fuerzas magnéticas medianas óptimas para este tipo de sistema ya que se puede lograr una separación completa del cordón manteniendo la integridad de la sangre.