Das Fließverhalten von Blut. Wahlpflichtfach SSM 2 SS 2015

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Klara Fiedler
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1 Das Fließverhalten von Blut Wahlpflichtfach SSM 2 SS 205

2 Was ist Blut (auch)? Blut ist ein Organ, das aus Zellen und Interstitialflüssigkeit (= Blutplasma) besteht Dieses Flüssigkeitsorgan ändert seinen Aufbau je nach den Scherkräften, die in den Gefäßabschnitten herrschen Blutplasma ist eine kolloidale Lösung die durch den onkotischen Druck die Organintegrität erhält

Mechanische Eigenschaften der Blutzellen Deformierbarkeit Membran Zytoskelett nzerkettenrotation Spezies-spezifische Zusammensetzung der Plasmamembran mit Fettsäuren Aggregabilität rallele

3 Mechanische Eigenschaften der Blutzellen Deformierbarkeit Membran Zytoskelett nzerkettenrotation Spezies-spezifische Zusammensetzung der Plasmamembran mit Fettsäuren Aggregabilität rallele Oberflächen nötig Geringes Zetapotential bei ph=7.4 Zellgeometrie (Größe, Aussehen) Energie kann in elastischen Strukturen gespeichert werden (Membranen) RBC are fluid droplets with high viscosity, surrounded by an elastic membrane and suspended in a medium with lower viscosity (=plasma) U. Windberger, April 204

Blutfluss in den Arterien Große Gefäße: RBC Durchmesser ist klein im Vergleich zum Gefäßradius Phasensystem, Blutabnahmen Arteriolen 2-Phasensystem: Plasma und Zellfraktion Plasmaströmung nach

4 Blutfluss in den Arterien Große Gefäße: RBC Durchmesser ist klein im Vergleich zum Gefäßradius Phasensystem, Blutabnahmen Arteriolen 2-Phasensystem: Plasma und Zellfraktion Plasmaströmung nach Hagen-Poiseuille RBC hydrodynamic disturbance to blood flow Gaehtgens (Drug Res 98;3: ) Suspensionsstability gegeben durch nzerkettenrotation, andernfalls würden die RBC quirlen Auch das Zytoplasma rotiert (Heinzkörper) Organisation von RBC in Form von Geldrollen (Rouleaux) im Axialstrom paraboloides Flußprofil U. Windberger, April 204

5 Blutfluss in den Arteriolen Rouleaux im Axialstrom Gleitschicht für RBC durch Plasma (Kim et al, Am J Physiol 2007;293:H ) Zellfreier Randsaum endotheliale Schubspannung enos Expression (Yalcin et al. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 294, H2098-H205) Gewebe-HCT ist assoziiert mit RBC Aggregation (Yalcin et al. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 287, H2644-H2650) Plasma skimming Source: Kim et al, Am J Physiol 2007;293:H U. Windberger, April 204 Source: Baskurt et al, Sem Thrombosis Hemostasis 2003;29:

Blutfluss in den Kapillaren Fahraeus Effekt Relative Viskosität (WBV/PV) nimmt in kleinen Gefäßen ab Fahraeus-Lindqvist Effekt Visköser Widerstand ist in den kleinen Gefäßen sehr gering RBC

6 Blutfluss in den Kapillaren Fahraeus Effekt Relative Viskosität (WBV/PV) nimmt in kleinen Gefäßen ab Fahraeus-Lindqvist Effekt Visköser Widerstand ist in den kleinen Gefäßen sehr gering RBC beschleunigen, wenn sie eine Kapillare passieren daher ist der kapilläre HCT reduziert HCT verändert sich dynamisch Bis zu 40% Reduktion in den Kapillaren ( 24% HCT in den Kapillaren, wenn in der Blutprobe ein HCT von 40% gemessen wird) U. Windberger, April 204 Apparent viscosity of blood in vivo is lower than that measured in vitro. Whittaker and Winton, J. Physiol. 78: , 933

Blutfluss in den Venen Shear forces in circulatory system Vessel (cm / sec.) Dia. (cm.) Wall Shear Stress ( ) Aorta 48 2.5 2.5 Artery 45 0.4 5 Arteriole 5 0.005 7.5 Capillary 0. 0.0008 Venule 0.

7 Blutfluss in den Venen Shear forces in circulatory system Vessel (cm / sec.) Dia. (cm.) Wall Shear Stress ( ) Aorta Artery Arteriole Capillary Venule Vein Vena Cava Vascular waterfall in den Venolen Rouleaux, 2006 Comparative Physiology 2006: I ntegrating Diversity U. Windberger, April 204

8 Technisches

Rheologiestrasse Viskoses Verhalten elastisches Verhalten viskoelastisches Verhalten Ideale Flüssigkeit Idealer Festkörper Gele, Blut Deformationsenergie misst den elastischen Anteil in der Probe

9 Rheologiestrasse Viskoses Verhalten elastisches Verhalten viskoelastisches Verhalten Ideale Flüssigkeit Idealer Festkörper Gele, Blut Deformationsenergie misst den elastischen Anteil in der Probe Deformationsenergie kann im oszillierendem Scherfeld gemessen werden zu 00% verloren zu 00% gespeichert Anteil an % gespeicherte Energie hängt vom Material ab Viskoelastisches Verhalten Viskoelastische Festkörper Viskoelastische Flüssigkeiten Blut ist eine nicht-newton sche, viskoelastische Flüssigkeit. Vollblut zeigt scherverdünnendes und thixotropes Verhalten.

10 Begriffe Apparent viscosity of blood in vivo is lower than that measured in vitro. HAT Verlustmodul HAPPENS IN (G ): VIVO? Energie, die während des Fließens verloren geht (Einheit: ) Speichermodul (G ): Energie, die während des Fließens gespeichert wird; entspricht unserer Deformationsenergie (Einheit: ) Verlustfaktor tan(δ): G /G Viskosität (η): Einheit: m.s Frequenz (Hz = /s) bzw. Kreisfrequenz (rad/s). Welche Frequenz ist sinnvoll? Schubspannung (τ): F/A ( shear stress, Einheit: ). Welche Schubspannung ist sinnvoll?, 2006 Comparative Physiology 2006: I ntegrating Diversity October, 2006 Whittaker and Winton, J. Physiol. 78: , 933. Comparative Physiology 2006: I ntegrating Diversity Shear forces in circulatory system Vessel Aorta Artery Arteriole Capillary Venule Vein Vena Cava (cm / sec.) Dia. (cm.) Wall Shear Stress ( )

11 Strömungsformen

12 Rotationsmessungen Fließkurven zur Ermittlung der Viskosität

13 Viskosität ETA, TAU log/log 0 s 0, 0,0 0, /s 0 3 Scherrate i. Anton ar GmbH Vollblutviskosität hängt von HCT und Temperatur ab Blutprobe bei 20%, 50%, 80% HCT bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen (7 C 37 C). Quelle: Diplomarbeit Ch. Pöschl, 205

14 Wenn Blut alt wird B2 RTP 0 2 m s /s 0 4 Scherrate. Anton ar GmbH

15 Oszillationsmessungen Amplitudentest Frequenztest zur Materialcharakterisierung ohne das Gefüge von Blut zu zerstören

16 Bei Mensch Pferd - Schaf Amplitudentest 0 0 0, 0, Proband E.S. 60%HCT 37 C Pferd Vic 60%HCT 37 C 0,0 ' Proband E.S. 50%HCT 37 C Proband E.S. 40%HCT 37 C 2 0,0 ' Pferd Vic 50%HCT 37 C 2 Pferd Vic 40%HCT 37 C 2 0, Schubspannung 0 0, Schubspannung ' Schaf 4 60%HCT 37 C Schaf 4 50%HCT 37 C Schaf 4 40%HCT 37 C Schubspannung 0-4

17 Amplitudentest zur Ermittlung der erlaubten Schubspannung Messgrößen aus Amplitudentest Fließpunkt (flow point) bei Überschneidung von G und G (gibt es bei Blut nicht warum?) Nachgeb-Grenze (yield point) Alle Ergebnisse sind temperaturabhängig 0 3 Kunststoff CSD 0 Blut 0 2 T4b Speichermodul ' Verlustmodul T5b 60 C 0, Proband E.S ' Speichermodul ' Verlustmodul T6b 60 C 0,0 ' Proband E.S Proband E.S Speichermodul 0-0, 00 %.000 Deformation Anton ar GmbH ' Verlustmodul 0, Schubspannung

18 bei Mensch Pferd - Schaf Frequenztest ' Proband E.S. 60%HCT 37 C Proband E.S. 50%HCT 37 C Proband E.S. 40%HCT 37 C ' Pferd Vic 60%HCT 37 C Pferd Vic 50%HCT 37 C Pferd Vic 40%HCT 37 C Hz Frequenz f Hz Frequenz f ' Schaf 4 60%HCT 37 C 2 Schaf 4 50%HCT 37 C Schaf 4 40%HCT 37 C Hz Frequenz f 0-4

19 Frequenztest = die eigentliche Materialcharakterisierung Bei niedrigen Frequenzen Ruhestabilität Bei hohen Frequenzen wie ist die Stabilität z.b. bei einem Aufprall o.ä. Steigung von G z.b. steife Gele haben z.b. fast keine Steigung, man kann auch den Grad der Vernetzung ablesen Alle Tests sind temperaturabhängig 0 4 Kunststoff Rheoplus T4W 2 Blut Speichermodul ' Verlustmodul 0 3 ' 0 2 T6Wc2 Speichermodul ' Verlustmodul W7c Speichermodul ' Verlustmodul W8c ' Proband E.S. 60% Proband E.S. 50% Proband E.S. 40% 0 - rad/s 0 2 Kreisfrequenz Anton ar GmbH Speichermodul ' Verlustmodul Hz Frequenz f 0-5

20 und nun: FRAGEN?

21 Kunststoff Blut 0 3 CSD ' T4b Speichermodul ' Verlustmodul T5b 60 C Speichermodul ' Verlustmodul T6b 60 C 0, 0,0 ' Proband E.S. Proband E.S. Proband E.S. 0-0, 00 %.000 Deformation Anton ar GmbH ' Speichermodul Verlustmodul 0, Schubspannung Rheoplus ' 0 2 T4W 2 Speichermodul ' Verlustmodul T6Wc2 Speichermodul ' Verlustmodul W7c Speichermodul ' Verlustmodul W8c ' Proband E.S. 60%HC Proband E.S. 50%HC Proband E.S. 40%HC 0 - rad/s 0 2 Kreisfrequenz Anton ar GmbH Speichermodul ' Verlustmodul Hz Frequenz f 0-5

22 Was noch?

23 Verlustfaktor tan(δ) Bei Mensch Pferd - Schaf tan( ) Proband E.S. 60%HCT 37 C Proband E.S. 50%HCT 37 C Proband E.S. 40%HCT 37 C tan( ) Pferd Vic 60%HCT 37 C Pferd Vic 50%HCT 37 C Pferd Vic 40%HCT 37 C Hz Frequenz f Hz Frequenz f 00 0 tan( ) Schaf 4 60%HCT 37 C 2 Schaf 4 50%HCT 37 C Schaf 4 40%HCT 37 C Hz Frequenz f

24 Low shear - Viskosität Bei Mensch Pferd - Schaf s s 0, 0, * 0,0 Proband E.S. 60%HCT 37 C Proband E.S. 50%HCT 37 C Proband E.S. 40%HCT 37 C * 0,0 Pferd Vic 60%HCT 37 C Pferd Vic 50%HCT 37 C Pferd Vic 40%HCT 37 C 0, Hz Frequenz f s 0, Hz Frequenz f 0, 0, * 0,0 0,0 Schaf 4 60%HCT 37 C 2 Schaf 4 50%HCT 37 C Schaf 4 40%HCT 37 C 0,00 0, Hz Frequenz f

25 es geht noch weiter...

26 Arbeitsplan Vorschläge? Fragestellung Wir haben zur Verfügung: Blut von Mensch und einer Tierspezies (Schaf oder Pferd) Studiendesign Gruppenvergleich, ungepaart oder gepaart Verlauf eines rameters nach Änderung einer abhängigen Variablen? Welche abhängige Variablen habe ich zur Verfügung? Welcher rameter soll mein Zielparameter mein? Wie könnte man die Messgenauigkeit eruieren? Wieviele Versuche/Individuen möchte ich für die Fallzahlplanung in diesem Pilotprojekt machen? Anderes

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