Modelado y Simulación Computacional Mediante MEF de Unidades para Fraccionamiento de Tejido Sanguíneo Humano

Abstract

El tejido sanguíneo humano es un fluido biológico complejo con un porcentaje en volumen cercano al 45 de componentes celulares suspendidos en plasma respecto al volumen total en una proporción de aproximadamente cinco a seis millones de células por microlitro de sangre. Los componentes celulares constituyen la fase sólida del tejido y el plasma su fase líquida. El fraccionamiento de este tejido en sus fases componentes resulta de gran importancia para la práctica clínica, la investigación biológica y la bioingeniería en el diseño de nuevas aplicaciones, algunas de ellas tendientes a la restitución de determinadas funciones fisiológicas. En este trabajo se presentan modelos físicos en geometrías simplificadas y simulaciones computacionales para fraccionar parte del plasma del tejido sanguíneo circulante como una fase líquida libre de células. El plasma se modela como un fluido con propiedades similares a las del plasma sanguíneo humano. Los componentes celulares se modelan mediante geometrías con características similares a las de las células y cuyas propiedades materiales se tienen en cuenta utilizando modelos de materiales hiperelásticos. Las geometrías propuestas como canales de circulación del modelo de tejido sanguíneo presentan escalas de tamaño similares a las de dispositivos microfluídicos, cada vez más empleados en los procesamientos clínicos de muestras de sangre, así como en aplicaciones de procesamiento continuo de sustancias. Se trabaja con un número reducido de células a fin de optimizar el tiempo de cálculo para distintas geometrías de interés y en regiones próximas a los sitios en que se produce el fenómeno de fraccionamiento sanguíneo. Este se lleva a cabo mediante el empleo de poros o ranuras micrométricas cuyas secciones transversales son menores a los valores promedio correspondientes de los elementos figurados. Los modelados y simulaciones se realizan con el software comercial COMSOL Multiphysics(R) el cual implementa el método de los elementos finitos y el cálculo numérico computacional para aproximar los campos de velocidad y presión, en las fases líquidas, y de tensión y deformación, en las fases sólidas del modelo de tejido. El software resuelve el modelo de Stokes en la fase líquida, el modelo de material neo-hookeano en las fases sólidas, la deformación de malla empleando el método ALE y el remallado cuando se cumple una condición de calidad mínima de elemento de malla que es fijada como parámetro a fin de reducir la introducción de errores al MEF por elementos de malla deformados en exceso. Los resultados son comparados con experiencias de laboratorio de otros autores donde se implementan estrategias de fraccionamiento similares a las modeladas en este trabajo utilizando dimensiones espaciales típicas de dispositivos microfluídicos. La fortaleza de estos modelos aproximados consiste en ser indicativos de parámetros físicos y operativos, para las geometrías dadas, a fin de obtener un mejor rendimiento en el fraccionamiento.