Design and fluid dynamic analysis of a custom drip chamber in a medical disposable device

Negli ultimi anni, parallelamente allo sviluppo di calcolatori elettronici sempre più performanti, la fluidodinamica computazionale è diventata uno strumento di notevole utilità nell’analisi dei flussi e nello sviluppo di dispositivi medici. Quando impiegate nello studio di flussi di fluidi fisiologici, come il sangue, il vantaggio principale delle analisi CFD è che permettono di caratterizzare il comportamento fluidodinamico senza dover eseguire test in-vivo/in-vitro, consentendo quindi notevoli vantaggi in termini di tempo, denaro e rischio derivante da applicazioni mediche. Inoltre, simulazioni CFD offrono una precisa e dettagliata descrizione di ogni parametro di interesse permettendo, già in fase di progettazione, di prevedere quali modifiche al layout garantiranno maggiori vantaggi in termini di funzionalità. Il presente lavoro di tesi si è posto l’obiettivo di valutare, tramite simulazioni CFD, le performances fluidodinamiche del comparto sangue “camera venosa” di un dispositivo medico monouso Bellco impiegato nella realizzazione di trattamenti di emodialisi. Dopo una panoramica del contesto, è presentata una breve descrizione della disfunzione renale e dei trattamenti sostitutivi. Notevole impegno è stato in seguito rivolto allo studio della letteratura scientifica in modo da definire un modello reologico per il fluido non-Newtoniano preso in considerazione e determinarne i parametri caratteristici. Il terzo capitolo presenta lo stato dell’arte delle apparecchiature Bellco, rivolgendosi con particolare attenzione al componente “cassette” del dispositivo monouso. L’analisi fluidodinamica del compartimento “camera venosa” della cassette, che sarà presa in considerazione nei capitoli quinto e sesto, si inserisce nell’ambito della riprogettazione del dispositivo attualmente in commercio: il quarto capitolo si incentra sul suo nuovo design, ponendo specifico interesse sul layout della camera venosa di nuova generazione. Per lo studio dei flussi che si sviluppano internamente ad essa ci si è avvalsi del modulo CFD del software COMSOL multiphysics® (versione 5.0); la definizione del modello implementato e della tipologia di studio effettuato sono presi in considerazione nel quinto capitolo. Le problematiche di maggior impatto nella realizzazione di un trattamento di emodialisi sono l’emolisi e la coagulazione del sangue. Nell'evenienza che si verifichino massivamente occorre infatti interrompere il trattamento con notevoli disagi per il paziente, per questo devono essere evitate. Nel sesto capitolo i risultati ottenuti sono stati esaminati rivolgendo particolare attenzione alla verifica dell’assenza di fenomeni che possano portare alle problematiche suddette.

Preparation and characterization of grafted nonwoven membranes for bioseparations

Protein purification plays a crucial role in biotechnology and biomanufacturing, where downstream unit operations account for 40%-80% of the overall costs. To overcome this issue, companies strive to simplify the separation process by reducing the number of steps and replacing expensive separation devices. In this context, commercially available polybutylene terephthalate (PBT) melt-blown nonwoven membranes have been developed as a novel disposable membrane chromatography support. The PBT nonwoven membrane is able to capture products and reduce contaminants by ion exchange chromatography. The PBT nonwoven membrane was modified by grafting a poly(glycidyl methacrylate) (GMA) layer by either photo-induced graft polymerization or heat induced graft polymerization. The epoxy groups of GMA monomer were subsequently converted into cation and anion exchangers by reaction with either sulfonic acid groups or diethylamine (DEA), respectively. Several parameters of the procedure were studied, especially the effect of (i) % weight gain and (ii) ligand density on the static protein binding capacity. Bovine Serum Albumin (BSA) and human Immunoglobulin G (hIgG) were utilized as model proteins in the anion and cation exchange studies. The performance of ion exchange PBT nonwovens by HIG was evaluated under flow conditions. The anion- and cation- exchange HIG PBT nonwovens were evaluated for their ability to selectively adsorb and elute BSA or hIgG from a mixture of proteins. Cation exchange nonwovens were not able to reach a good protein separation, whereas anion exchange HIG nonwovens were able to absorb and elute BSA with very high value of purity and yield, in only one step of purification.