Zerstörungsfreie elektrische Ladungstrennung und elektrische Effekte während der Gerinnung von Blut zur Detektion von Blutgerinnseln im Umfeld von metallischen Implantaten

Abstract

Die Bildung von Blutgerinnseln in Implantaten, wie Stents, die in den Körper eines Patienten implantiert werden, und in Geräten zur Lagerung und zum Transport von Humanblut, die in den Blutkreislauf eines Patienten integriert werden, stellt einen Gefahr für den Patienten dar. Gegenstand der vorliegenden Promotionsarbeit ist eine Methode zur Detektion der Bildung von Blutgerinnseln, welche elektrische Effekte bei der Gerinnung von Blut ausnutzt. Das bei der Aushärtekontrolle von Kunststoffbauteilen bereits angewendete Prinzip wird auf die Gerinnung von Blut erweitert und eine Prüfmethode zur Detektion der Entwicklung von Blutgerinnseln im Umfeld von metallischen Implantaten entwickelt.

Die Gerinnung von Blut als Biopolymer umfasst die Bildung eines Fibringerinnsels. Die Biopolymerisation von Fibrinogen zu Fibrin bewirkt freie Ladungsträger und/oder elektrische Dipolmomente, die von sich aus messbare elektrische Felder erzeugen. Im Ergebnis treten elektrische Effekte während der Gerinnung von Blut auf und können zur Detektion einer Gerinnselbildung und zur Überwachung der Gerinnung von Blut messtechnisch erfasst werden.

Durch Messungen an gerinnendem Blut wird gezeigt, dass bei der Gerinnung von Blut reproduzierbar messbare elektrische Effekte auftreten, und dass sich die Gerinnung von Blut durch ein äußeres elektrisches Feld beeinflussen lässt. Die Gerinnung von Blutplasma und Blut wird optisch bzw. rheologisch gemessen. Parallel zur Gerinnungsmessung werden dielektrische und elektrische Messungen am jeweiligen Blutsystem durchgeführt.

Parallele Gerinnungsmessungen und elektrische Messungen ohne ein äußeres elektrisches Feld an Blutplasma und Blut zeigen, dass elektrische Signale auftreten und diese charakteristische Stellen bzw. Abschnitte entsprechend den Gerinnungskurven aufweisen. Die elektrischen Signale zeigen entsprechend der Dicke des geronnenen Bereiches bei optischen Messungen an Blutplasma und dem Speichermodul bei rheologischen Messungen an Blut den Beginn, den Fortschritt und das Ende der Gerinnung der Blutprobe an. Gerinnungsmessungen an Blutplasma und Blut in einem äußeren elektrischen Feld zeigen, dass eine Gleichspannung die Gerinnung des jeweiligen Blutsystems beschleunigt, und dass eine Wechselspannung die Auflösung des jeweiligen Blutgerinnsels beschleunigt.

In medical devices, like stents being implanted into human body or apparatus for storage and transport of human blood, it is important to detect, reduce or prevent clot formation being dangerous for patients. Object of this thesis is a method for detecting clot formation and monitoring blood coagulation, said method making use of electric effects during blood coagulation.

(Di)electric effects known for Naphtalin, water and polymers have to be verified for blood. For this purpose, (di)electric measurements are made on coagulating blood. Blood plasma becomes opaque when coagulating, thus coagulation of blood plasma is monitorable by optical measurements. The experimental setup comprises optical components as well as electrodes adapted to parallel optical measurement. Coagulation of blood being a viscoelastic material can be monitored by rheological measurements wherein storage modulus characterises coagulation of a blood sample. Both plates of the rheometer when isolated can be used as electrodes. Oscillatory rheological measurements on coagulating blood are combined with parallel electric measurements by means of an electrometer triggered by rheometer software.

Parallel coagulation and electric measurements on blood plasma and blood demonstrate that electric signals arise and have characteristic parts according to the coagulation curves. The electric signals indicate start, progress and end of coagulation of the blood probe according to thickness of coagulated region for optical measurements on blood plasma and storage modulus for rheological measurements on blood. Coagulation of blood as a biopolymer comprises formation of a clot of fibrin. The biopolymerisation of fibrinogen to fibrin causes free charge carriers and/oder electric dipole moments providing electric fields being measurable. As a result, electric effects arise during blood coagulation and can be measured for detecting clot formation and monitoring blood coagulation.