Heart failure, broadly characterized by the gradual decline of the ability of the heart to maintain adequate blood flow throughout the body’s vascular network of veins and arteries, is one of the leading causes of death worldwide. Due to limited available treatment options for late-stage heart failure, heart transplantation remains one of the few long-term solutions, but is complicated by the limited and declining supply of donor hearts. One of the few available alternative interventions for late-stage heart failure with reduced ejection fraction is Mechanical Circulatory Support (MCS). A blood pump, called a ventricular assist device (VAD), is surgically implanted, and connected to the left (LVAD) and or right (RVAD) heart ventricles to provide additional venous pressure, off-loading some of the work required by the heart to maintain circulation. Modern mechanical circulatory support devices generate nonphysiological flow conditions that can lead to the damage and rupture of blood cells (hemolysis), and the formation of blood clots (thrombosis), which pose severe health risks to the patient. It is essential to improve prediction tools for blood damage to reduce the risk of hemolysis and thrombosis.

Constitutive approaches to modelling blood damage are examined and expanded upon by studying the effect of certain key mechanics, namely the effect of red blood cell collisions on sublethal hemolysis, and the interaction between hemolysis and thrombosis. A numerical simulation-based approach is employed to examine these questions. A series of computational experiments are designed to examine the cellular-scale mechanics of sublethal hemolysis and the effect of hemolysis on thrombosis. A fully Eulerian structural method is implemented in ANSYS Fluent to simulate the dynamics of the red blood cell membrane. The effect of the volumetric concentration of red blood cells on the degree of stress and transmembrane diffusion of hemoglobin experienced by red blood cells is examined at various shear rates in a Couette flow. The relationship between shear rate and peak membrane strain is quantified, as is the effect of collisions. Finally, the effect of hematocrit on transmembrane hemoglobin diffusion is examined, finding that RBC collisions have an immense effect on sublethal hemolysis.

A simulation-based approach examines the interaction between hemolysis and thrombosis. Incompressible finite-volume computational fluid dynamics simulations are executed on an open-hub axial flow ventricular assist device. A continuum model of thrombosis and intrinsic coagulation is extended to include the effect of hemolysis. The model accounts for the activation of platelets by shear stress, paracrine signalling, adhesion, and hemoglobin and ADP released during hemolysis. The effect of hemolysis with thrombosis is modelled by accounting for the hyper-adhesivity of von-Willebrand Factor on extracellular hemoglobin, and the increased rate of platelet activation induced by ADP release. Thrombosis is assessed at varying inflow rates and rotor speeds, and cases are executed where thrombosis is affected by ADP release and Hb-induced hyper-adhesivity. It is found that there is a mild but significant effect from hemolysis on thrombosis across a range of rotor speeds and that both mechanisms play a role. The overall mechanisms of thrombus formation and anti-thrombogenic LVAD design are discussed, and avenues of future research are suggested.

L'insuffisance cardiaque, caractérisée par le déclin progressif de la capacité du cœur à maintenir un flux sanguin adéquat dans le réseau vasculaire des veines et des artères de l'organisme, est l'une des principales causes de décès dans le monde. En raison du nombre limité d'options thérapeutiques disponibles pour l'insuffisance cardiaque tardive, la transplantation cardiaque reste l'une des rares solutions à long terme, mais elle est compliquée par le nombre limité et décroissant de cœurs de donneurs. L'assistance circulatoire mécanique (ACM) est l'une des rares interventions alternatives disponibles pour l'insuffisance cardiaque tardive avec fraction d'éjection réduite. Une pompe à sang, appelée dispositif d'assistance ventriculaire (DAV), est implantée chirurgicalement et connectée aux ventricules gauche (DAVG) ou droit (DAVR) pour fournir une pression veineuse supplémentaire, déchargeant ainsi le cœur d'une partie du travail nécessaire au maintien de la circulation. Les dispositifs modernes d'assistance circulatoire mécanique génèrent des conditions d'écoulement non physiologiques qui peuvent entraîner la détérioration et la rupture des cellules sanguines (hémolyse) et la formation de caillots sanguins (thrombose), ce qui présente de graves risques pour la santé du patient. Il est essentiel d'améliorer les outils de prédiction des lésions sanguines afin de réduire le risque d'hémolyse et de thrombose.

Les approches constitutives de la modélisation des lésions sanguines sont examinées et développées en étudiant l'effet de certains mécanismes clés, à savoir l'effet des collisions de globules rouges sur l'hémolyse sublétale et l'interaction entre l'hémolyse et la thrombose. Une approche basée sur la simulation numérique est employée pour examiner ces questions. Une série d'expériences informatiques sont conçues pour examiner la mécanique à l'échelle cellulaire de l'hémolyse sublétale et l'effet de l'hémolyse sur la thrombose. Une méthode structurelle entièrement eulérienne est mise en œuvre dans ANSYS Fluent pour simuler la dynamique de la membrane des globules rouges. L'effet de la concentration volumétrique de globules rouges sur le degré de contrainte et la diffusion transmembranaire de l'hémoglobine subis par les globules rouges est examiné à différents taux de cisaillement dans un écoulement de Couette. La relation entre le taux de cisaillement et la déformation maximale de la membrane est quantifiée, de même que l'effet des collisions. Enfin, l'effet de l'hématocrite sur la diffusion transmembranaire de l'hémoglobine est examiné, et l'on constate que les collisions entre des GR ont en effet un effet considérable sur l'hémolyse sublétale.

Une approche basée sur la simulation examine l'interaction entre l'hémolyse et la thrombose. Des simulations de dynamique des fluides en volumes finis incompressibles sont exécutées sur un dispositif d'assistance ventriculaire à flux axial à moyeu ouvert. Un modèle continu de thrombose et de coagulation intrinsèque est étendu pour inclure l'effet de l'hémolyse. Le modèle tient compte de l'activation des plaquettes par la contrainte de cisaillement, la signalisation paracrine, l'adhésion, et l'hémolyse. L'effet de l'hémolyse sur la thrombose est modélisé en tenant compte de l'hyper-adhérence du facteur von-Willebrand sur l'hémoglobine extracellulaire et de l'augmentation du taux d'activation des plaquettes induite par la libération d'ADP. La thrombose est évaluée à différents débits d'entrée et vitesses de rotor, et des cas sont exécutés où la thrombose est affectée par la libération d'ADP et l'hyper-adhésivité induite par l'Hb. On constate que l'hémolyse a un effet léger mais significatif sur la thrombose pour toute une gamme de vitesses de rotor, et que les deux mécanismes jouent un rôle. Les mécanismes généraux de la formation de thrombus et de la conception anti-thrombogène des DAVG sont discutés, et des pistes de recherche futures sont proposées.