Das Fließverhalten von Blut SSM 2 - meduniwien.ac.at · Neben dem Hämatokrit und der Temperatur...

Das Fließverhalten von Blut SSM 2

Ursula Windberger, DVM, BSc

Department Biomedizinische Forschung www.meduniwien.ac.at/rheology

http://www.meduniwien.ac.at/rheology

Agenda

• Technischer Teil – Begriffe, Modelle, Strömungsformen – Messprinzip

• Physiologischer Teil – Von welchen Parametern wird die Vollblutviskosität

beeinflusst – Welche physiologische Bedeutung haben

hämorheologische Parameter

• Praktische Durchführung • Erstellung eines Arbeitsplans

• Ziel: Fallzahlplanung

Begriffe

Blut ist eine nicht-Newton´sche, viskoelastische Flüssigkeit. Vollblut zeigt scherverdünnendes und thixotropes Verhalten.

„Rheologiestrasse“ Viskoses Verhalten elastisches Verhalten viskoelastisches Verhalten

Beispiele Wasser Steine Gele, biologische Materialien

Deformationsenergie Verloren Gespeichert Teilweise verloren, teilweise gespeichert

Viskoelastisches Verhalten

Viskoelastische Festkörper

Viskoelastische Flüssigkeiten

Plattenmodell

2 übereinanderliegende Platten werden verschoben, im Mess-Spalt ist die Probe (wie Bierdeckel-Stapel) Begriffe: • Schubspannung: τ = F/A („shear stress“, Einheit: Pa) • Scherrate: ẏ = v/h oder dv/dh („shear rate“, Einheit: s-1)

– Ideal: die Geschwindigkeit v im Scherspalt h fällt linear ab es herrscht lineare Geschwindigkeitsverteilung.

– Daher ist in einer laminaren idealviskosen Strömung (wie in Wasser!) dv = constant. Alle Einzelschichten sind gleich groß dh = constant.

– Aber: Blut als viskoelastische Flüssigkeit kann auch eine andere Strömungsformen aufweisen, je nach der Möglichkeit zum Aufbau und Abbau von Strukturen (Aggregate, Rouleaux, Geldrollenbildung)

Strömungsformen

Rotationsversuche

Vorgabe Ergebnis

Rohdaten CSR-Test Drehzahl (min-1) Drehmoment (mNm)

Messgröße CSR Scherrate ẏ (s-1) Schubspannung τ (Pa)

Rohdaten CSS-Test Drehmoment (mNm) Drehzahl (min-1)

Messgröße CSS Schubspannung τ (Pa) Scherrate ẏ (s-1)

Berechnung der Viskosität η = τ/ ẏ

CSR („controlled shear rate test“) wählt man, wenn die Flüssigkeit von selbst verläuft, also keine Fließgrenze hat und wenn die Viskosität bei verschiedenen Fließgeschwindigkeiten simuliert werden soll (zB Rohrströmungen). CSS („controlled shear stress test“) simuliert das Fließen durch Krafteinwirkung (Gletscher, Pumpkraft des Herzens) Fließkurven (τ vs. ẏ ), Viskositätsfunktionen (η vs. ẏ ) Erweiterte Messprogramme: Vorscherphase zur Löschung des rheologischen „Gedächtnisses“, Ruhephase zur Relaxation der Probe, Messphase mit Scherratenrampe/Schubspannungsrampe

Welche Strömungsformen sind relevant?

• Was kann man bei der Messung von Blut als dh verwenden?

• Welche Strömungsform wird man bei RBC-Clusterbildung erwarten?

• Gibt es Phänomene, die diese Strömungsform „stören“?

Thixotropie

• Die Thixotropie ist ein zeitabhängiges Verhalten – Strukturen (zB RBC-Aggregate) bauen sich bei gleichbleibender Scherrate oder

Schubspannung innerhalb einer bestimmten Zeitspanne auf. Gelingt nur bei niedrigen Scherraten (< 10 s-1)

– Dadurch wird die Viskosität von Vollblut geringer sogenannte „transiente“ Viskosität

– Temperaturabhängiger Prozess

• Dieser Effekt wird verwendet zur Bestimmung von Aggregationsindices (im Aggregometer) und zur Bestimmung der Blutsenkung

• Blut ist noch komplizierter: – Blut ist auch noch scherverdünnend. Prinzipiell gibt es zeit-abhängiges und

zeit-unabhängiges scherverdünnendes Verhalten. Ohne spezielle Angabe ist immer zeit-unabhängiges Verhalten gemeint.

Thixotropie

• Thixotropie ist das zeitabhängige Verhalten. Man kann Thixotropie messen, wenn man die Scherbelastung auf die Probe konstant lässt

• Man beobachtet bei Blut: – die Viskosität sinkt mit der Zeit – dieser Effekt ist u.a. temperaturkontrolliert

0,001

0,01

0,1

Pa·s

1

10

0 50 100 150 200 250 300 350 400s

Zeit t

Horse: pre-shear 300 s-1, relaxation 60s at 1 s-1

Anton Paar GmbH

Pf erd_12.02_20%_22°C 1

Doppelspalt klein ka-SN3521; d=0 mm

Viskosität

Pf erd_12.02_20%_37°C 1


Viskosität

Pf erd_neu_20%_auf wärts_22°C 2


Viskosität



Viskosität10

-3

10-2

10-1

Pa·s

0

5

10

15

20

25

30

40

°C

T

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000 1.100 1.200 1.300 1.400s

Zeit t

ETA, TAU log/log

Anton Paar GmbH

Kaninchen Kegel-Platte 35% HCT 1

CP50-1-SN18224; d=0,1 mm

Viskosität

T Temperatur

Scherverdünnend – Scherverdickend – Newton´sch

• Newton´sch: idealviskoses Verhalten (Wasser, Eichöle). Viskosität ändert sich nur mit der Temperatur

• Nicht-Newton´sch: Viskosität ist neben der Temperatur auch von der Scherrate/Schubspannung abhängig

• Viscosity ratio: VR = η(niedriger Scherrate)/η(hoher Scherrate) • Nullviskosität: Aufbau- und Abbauprozesse halten sich innerhalb eines bestimmten

(niedrigen) Scherratenbereichs die Waage Plateau für die Viskosität. Für Blut fraglich. Wäre nur bei hohem HCT und hoher RBC Aggregation möglich.

Nicht-Newton´sch

Scher-verdünnend,

strukturviskos

Gele, Polymere

BLUT

Scher-verdickend,

dilatant

Speisestärke, Zahnfüllmassen

Blut: Bei niedriger Scherrate hohe Viskosität Bei hoher Scherrate niedrige Viskosität

Blut ist eine scherverdünnende Flüssigkeit

Viscosity ratio: VR = η(niedriger Scherrate)/η(hoher Scherrate)

Blut: Bei niedriger Scherrate hohe Viskosität Bei hoher Scherrate niedrige Viskosität

Blut ist sowohl eine scherverdünnende als auch eine thixotrope Flüssigkeit

manchmal gibt es Probleme bei der Messung, da beide Vorgänge gleichzeitig ablaufen. Kommt bei hoher RBC-Aggregabilität vor (zB Pferd), aber nur bei niedrigen Scherraten, weil bei hohen Scherraten keine Aggregation der RBC stattfinden kann.

0,001

0,01

0,1

Pa·s

1

10

100

101

102

103

1/s

Scherrate .


Anton Paar GmbH

Pf erd_12.02_20%_22°C 1


Viskosität

Pf erd_12.02_20%_37°C 1


Viskosität



Viskosität



Viskosität

0,001

0,01

0,1

Pa·s

1

10

0 50 100 150 200 250 300 350 400s

Zeit t


Anton Paar GmbH

Pf erd_12.02_20%_22°C 1


Viskosität

Pf erd_12.02_20%_37°C 1


Viskosität



Viskosität



Viskosität

Die Vollblutviskosität ist besonders vom Hämatokrit abhängig

0,001

0,01

0,1

Pa·s

1

10

100

101

102

103

1/s

Scherrate i.

ETA, TAU log/log

Anton Paar GmbH

17.9 CouettegroßHct81% 7.5mL37°C 2

DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm

h Viskosität


DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm

h Viskosität


DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm

h Viskosität

19.9 Couettegroß_Probe2_Hct82% 7.5mL37°C 2

DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm

h Viskosität

19.9 Couettegroß_Probe2_Hct50% 7,5mL37°C 2

DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm

h Viskosität


DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm

h Viskosität


DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm

h Viskosität


DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm

h Viskosität

23.9 Couettegroß_Probe3_Hct20%_ 7,5mL37°C 2

DG26.7/TI-SN3521; d=0 mm

h Viskosität

Fließkurven von 3 Blutproben: 20%, 50%, 80% Hämatokrit (HCT) Quelle: Diplomarbeit Ch. Pöschl 2014

Je höher der Hämatokrit, desto größer die Viskosität

Neben dem Hämatokrit spielt die Temperatur eine Rolle

Blutprobe bei 20%, 50%, 80% HCT bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen (7°C – 37°C). Quelle: Diplomarbeit Ch. Pöschl, 2014

0,001

0,01

0,1

1

Pa·s

1

10

100

101

102

103

1/s

Scherrate i.

ETA, TAU log/log

Anton Paar GmbH

Neben dem Hämatokrit und der Temperatur spielt die RBC Aggregation eine Rolle

• Damit RBC aggregieren können, müssen Plasmaproteine vorhanden sein • Auch mit Dextran oder Block-Co-Polymeren kann man die RBC Aggregation

erhöhen • Damit RBC aggregieren können müssen sie flexibel genug sein um parallele

Oberflächen zu bilden (Größe, Geometrie der RBC) • Zetapotential an der Zelloberfläche bei pH=7,4 möglichst gering wenige

geladene Gruppen geringere Abstoßung

Alle Abhängigkeiten zusammenfassend

Viskosität von Vollblut zeigt:

– Hämatokrit-Abhängigkeit

– Temperatur-Abhängigkeit

– Abhängigkeit vom Ausmaß der RBC Aggregabilität

– Abhängigkeit von der Scherrate/Schubspannung

Blut ist eine nicht-Newton´sche, viskoelastische Flüssigkeit. Vollblut zeigt scherverdünnendes und thixotropes Verhalten.

Wozu??

• Strömungswiderstand: Gesetz von Hagen-Poiseuille

• Beschleunigungsarbeit für das Herz (½ mv2). Ist aber nur ca. 1% der P*V-Arbeit • Fahraeus-Effekt:

– Tochtergefäße haben niedrigeren HCT – Blutzellen reichern sich im Axialstrom an, je nach RBC Aggregabilität – Parabolisches Flussprofil wird abgestumpft, wenn RBC Aggregabilität hoch ist – Plasmarandsaum wird größer endotheliale Schubspannung wird reduziert eNOS

downreguliert

Quelle: Kim et al, Am J Physiol 2007;293:H1526-1535 Quelle: Baskurt et al, Sem Thrombosis Hemostasis 2003;29:435-450

Wozu??

Feinregulierung der Durchblutung – Verteilung von RBC (Gewebe-HCT) – Transit-Zeit in den Kapillaren (Sauerstoffaustausch) – Strömungswiderstand (Hagen-Poiseuille) dort, wo keine Kaliberanpassung möglich ist – eNOS-Phosphorylierung beeinflusst, Kaliberanpassung über Breite des Plasmarandsaums – Plasmarandsaum vom Flussprofil, RBC-Aggregabilität, RBC-Flexibilität abhängig – Störung dieser Organisation: Pulsieren des Gefäßes und des Blutflusses

Quelle: Schmidt, Thews: Physiologie des Menschen, Seite 502 Quelle: E. Ernst 1989 „Hämorheologie: Theorie, Klinik, Therapie“, Schattauer

Fahraeus-Lindqvist Effekt: Viskosität sinkt in den Kapillaren

Physiologische Bedeutung

• Was kann man erwarten, wenn zB bei einem Patienten, der an Diabetes mellitus leidet, die RBC-Aggregation hoch ist?

• Macht die RBC Aggregation überhaupt Sinn, oder hat sie nur negative Auswirkung auf die Perfusion?

Praktische Durchführung des Wahlpflichtfaches

• Vorschläge? – Fragestellung suchen – Equipment und Ausstattung berücksichtigen – Passendes Studiendesign finden

• Gruppenvergleich, ungepaart oder gepaart • Verlauf eines Parameters nach Änderung einer abhängigen Variablen • Welche abhängige Variablen habe ich zur Verfügung

– Wie könnte man die Messgenauigkeit eruieren? – Wieviele Versuche/Individuen benötige ich für eine

Fallzahlplanung mindestens? – Anderes…

Praktische Durchführung: (m)ein Vorschlag

• Praktische Tätigkeit: – Blut zentrifugieren, RBC waschen – Verdünnungsreihen von RBC in Humanalbumin und NaCl herstellen – Messung der Proben mit den verschiedenen HCT im Rheometer ( Viskosität)

und im Aggregometer ( Aggregationsindices) bei jeweils konstanter Temperatur

• Ergebnisse: – Hämatokritabhängigkeit von Blut wenn RBC Aggregation vorhanden ist – Hämatokritabhängigkeit von Blut ohne RBC Aggregation – Ab welchem HCT ist das Fließverhalten von Blut relevant unterschiedlich von

Plasma – Speziesvergleich mit dem Schaf

• Diskussion: – Zuordnung des Fließverhaltens zu Stromgebieten im Körper – Methodischer Fehler, gerätespezifischer Fehler – Intra-Spezies Variabilität – Inter-Spezies Variabilität – Wenn möglich: Ermittlung des theoretischen „optimalen HCT“

HCT Bestimmung

Zentrifugation trennt Zellen von Plasma Anämie: geringes Hämoglobin in der Blutprobe durch geringen HCT und/oder geringes Hb im RBC

Hematokritzentrifuge

Geräte

• Rheometer MCR 301 (A. Paar, Graz, Österreich) bei 37°C Viskositätsfunktionen CSR (1 – 100 s-1) – Mit Doppelzylinder-Mess-System – Mit Kegel-Platte

• Aggregometer MA1 (Myrenne, Roetgen, Deutschland) bei Raumtemperatur Aggregationsindices je nach Ausmaß der Lichttransmission durch die Blutprobe

0,001

0,01

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Pa·s

1

10

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1/s

Scherrate .

Viskositätsfuntion, pre-shear 30s at 300 s-1, relaxation 10s at 1 s-1

Anton Paar GmbH

Danke für Ihre Aufmerksamkeit

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