Un oxygénateur microfluidique intégré et compact, à haute efficacité de transfert de gaz - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

A compact integrated microfluidic oxygenator with high gas exchange efficiency

Un oxygénateur microfluidique intégré et compact, à haute efficacité de transfert de gaz

Résumé

End-stage lung diseases may result in death either by oxygenation and carbon dioxide exchange insufficiency or by right heart failure. Concerning the therapeutic options currently available, macroscopic blood oxygenators based on extracorporeal membrane (ECMO) technology are currently used. However, the environment of an intensive care unit is still required. Modern oxygenators need to be exchanged within a couple of weeks because of clotting.In this context, the goal of my PhD was the development of a novel microfluidic device for blood oxygenation, which exhibits a large surface area of gas exchange and can support long-term sustainable endothelialization of blood microcapillaries enhancing its hemo-compatibility for clinical applications. Numerical calculations based on the gas exchange model of Potkay et al. helped to best size the three-layer "blood microcapillary / membrane / gas microchannel" system.I then developed a microfabrication protocol that allows the integration of a thin polymer membrane with a very large surface area, producing robust sealed oxygenators.The gas exchange performances achieved with venous pig blood are remarkable both for unit trilayers, and for stacked structures with a low reduced injection volume, high oxygenation (379 ml O2 / min / m²) at a flow rate high (15 ml/min). These experimental results could be compared to numerical calculations. Finally, with an optimized geometry minimizing shear stress, a sustainable endothelialization protocol in blood capillaries has been proposed.
Le poumon est un organe vital dont les pathologies au stade terminal peuvent induire une insuffisance circulatoire avec une défaillance cardiaque droite secondaire. Concernant les options thérapeutiques disponibles, des oxygénateurs sanguins macroscopiques basés sur la technologie des membranes extracorporelles (ECMO) sont actuellement utilisés au sein d'une unité de soins intensifs. Ces oxygénateurs doivent être remplacés en quelques semaines en raison de la coagulation dans le système.Dans ce contexte, le but de mon doctorat était de développer un dispositif microfluidique pour l'oxygénation du sang, qui présente une grande surface d'échange gazeux et capable de soutenir une endothélialisation durable à long terme des microcapillaires sanguins améliorant son hémocompatibilité pour les applications cliniques.Des calculs numériques basés sur le modèle d’échange gazeux de Potkay et coll. ont permisde comprendre le rôle de chaque paramètre géométrique sur l’échange gazeux et, donc, de dimensionner au mieux le système tri-couches « microcapillaire de sang / membrane / microcanal de gaz ».J’ai ensuite mis au point un protocole de microfabrication qui permet d’intégrer une membrane fine de polymère de très grande surface, et de fabriquer des oxygénateurs robustes et étanches sous pression.Les performances d’échange gazeux mesurées avec du sang veineux de cochon sont remarquables, tant pour les tri-couches unitaires que pour les structures empilées, avec un faible volume d’injection et une oxygénation élevée (379 ml O2/min/m²) à débit élevé (15ml/min). Ces résultats expérimentaux ont pu être comparés aux calculs numériques. Enfin, avec une géométrie optimisée pour minimiser la contrainte de cisaillement, un protocole d’endothélialisation durable dans les capillaires sanguins a été proposé.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03281120 , version 1 (08-07-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03281120 , version 1

Citer

Julie Lachaux. Un oxygénateur microfluidique intégré et compact, à haute efficacité de transfert de gaz. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Paris-Saclay, 2020. Français. ⟨NNT : 2020UPAST063⟩. ⟨tel-03281120⟩
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