Nowa membrana 3D poprawia natlenowanie w sztucznych płucach i systemach ECMO

Nowa, możliwa do wytwarzania metodami druku 3D architektura membrany może znacząco zwiększyć wydajność wymiany gazowej w sztucznych płucach i systemach pozaustrojowego utlenowania krwi ECMO. Naukowcy z Medizinische Hochschule Hannover oraz RWTH Aachen opracowali strukturę opartą na trójokresowych powierzchniach minimalnych TPMS. Zoptymalizowane konstrukcje uzyskiwały średnio nawet o około 88% większy transfer tlenu w badanym zakresie przepływu niż konwencjonalne membrany z włókien kanalikowych, a jednocześnie zapewniały bardziej jednorodne warunki przepływu krwi.

Dlaczego współczesne sztuczne płuca mają ograniczenia?

W przypadku schyłkowych chorób płuc transplantacja płuca pozostaje dla części chorych jedyną metodą leczenia umożliwiającą długotrwałe zastąpienie niewydolnego narządu. Liczba dostępnych płuc od dawców jest jednak ograniczona, dlatego ogromne znaczenie mają technologie umożliwiające czasowe pozaustrojowe wspomaganie wymiany gazowej.

Jedną z nich jest ECMO – pozaustrojowe utlenowanie krwi (extracorporeal membrane oxygenation). W układach służących do wspomagania niewydolnych płuc krew przepływa przez oksygenator, w którym zachodzi wymiana tlenu i dwutlenku węgla przez specjalną membranę.

Współczesne sztuczne płuca i oksygenatory wykorzystują przede wszystkim pakiety membran z włókien kanalikowych, określanych jako HFM (hollow fiber membranes). Konstrukcje te są skuteczne klinicznie, ale mają również ograniczenia wynikające między innymi z geometrii przepływu krwi oraz kontaktu krwi ze sztucznym materiałem.

Niejednorodny przepływ może prowadzić do powstawania obszarów, w których krew przemieszcza się z różną prędkością, oraz stref zastoju. Jednocześnie powierzchnia sztucznego materiału pozostająca w kontakcie z krwią może sprzyjać niepożądanym interakcjom prowadzącym do aktywacji mechanizmów zakrzepowych.

Zespół badawczy Medizinische Hochschule Hannover (MHH), współpracujący z naukowcami z RWTH Aachen, zaproponował zupełnie inne podejście do konstrukcji membrany sztucznego płuca. Zamiast udoskonalać klasyczne pakiety włókien, badacze skupili się na zaprojektowaniu całej trójwymiarowej architektury odpowiedzialnej za przepływ i wymianę gazową.

Prace są związane z rozwojem koncepcji biohybrydowego płuca. Zespół kierowany przez prof. dr Bettinę Wiegmann z Klinik für Herz-, Thorax-, Transplantations- und Gefäßchirurgie Medizinische Hochschule Hannover pracuje nad tym zagadnieniem między innymi w Niedersächsisches Zentrum für Biomedizintechnik, Implantatforschung und Entwicklung (NIFE).

Badania wpisują się w szersze działania ukierunkowane na opracowanie implantowalnego sztucznego płuca, które potencjalnie mogłoby początkowo stanowić pomost do transplantacji, a w znacznie dalszej perspektywie – trwały system zastępujący część funkcji niewydolnego narządu.

TPMS zamiast klasycznych włókien kanalikowych

Kluczowym elementem nowego rozwiązania są trójokresowe powierzchnie minimalne – TPMS (Triply Periodic Minimal Surfaces). Są to złożone, ciągłe struktury trójwymiarowe, które mogą rozdzielać przestrzeń na wzajemnie przeplatające się kanały.

W przeciwieństwie do zestawu pojedynczych włókien kanalikowych TPMS tworzą ciągłą architekturę przestrzenną. Jej geometria może zostać zaprojektowana cyfrowo, a następnie odtworzona za pomocą technologii wytwarzania addytywnego, czyli druku 3D.

Znaczenie tej zmiany jest większe niż samo zastąpienie jednego materiału innym. Konstrukcja TPMS pozwala bowiem jednocześnie wpływać na kilka parametrów funkcjonalnych: powierzchnię wymiany gazowej, drogę przepływu krwi, rozkład prędkości przepływu oraz kontakt krwi z powierzchnią membrany.

Takie podejście oznacza zmianę sposobu projektowania sztucznego płuca. Zamiast osobno optymalizować przepływ, transfer gazów i właściwości powierzchni kontaktującej się z krwią, część tych funkcji można kształtować poprzez odpowiednio zaprojektowaną geometrię całej membrany.

Do około 88% większy transfer tlenu

Jednym z najważniejszych wyników pracy była różnica w wydajności transportu tlenu pomiędzy zoptymalizowanymi strukturami TPMS a konwencjonalnymi membranami HFM.

Jest to szczególnie istotne, ponieważ wydajność sztucznego płuca nie zależy wyłącznie od całkowitej powierzchni membrany. O skuteczności transportu gazów decydują także między innymi grubość warstwy dyfuzyjnej, geometria kanałów, prędkość przepływu oraz równomierność kontaktu krwi z powierzchnią umożliwiającą wymianę gazową.

Struktury TPMS oferują dużą powierzchnię przy stosunkowo niewielkiej objętości. Pod tym względem sama idea architektoniczna przypomina jedną z podstawowych właściwości naturalnych płuc – niezwykle dużą powierzchnię wymiany gazowej upakowaną w relatywnie niewielkiej przestrzeni.

Nie oznacza to oczywiście, że opracowana membrana odwzorowuje budowę ludzkich pęcherzyków płucnych. TPMS są konstrukcjami inżynieryjnymi. Wspólna jest natomiast zasada wykorzystania złożonej geometrii do uzyskania dużej powierzchni wymiany przy ograniczonej objętości.

Jeżeli wysoka wydajność transferu gazów zostanie utrzymana podczas dalszego rozwoju technologii, mogłaby ona pozwolić na zmniejszenie wymiarów przyszłych oksygenatorów bez proporcjonalnego obniżania ich zdolności do natlenowania krwi.

Polimer silikonowy i biologizacja powierzchni

Geometria nie jest jedynym elementem nowej koncepcji. Badacze analizowali również materiały nadające się do produkcji cienkich, gazoprzepuszczalnych membran za pomocą druku 3D.

Eksperymentalne badania materiałowe wskazały drukowalne elastomery oparte na polidimetylosiloksanie (PDMS). Materiał ten jest interesujący między innymi ze względu na przepuszczalność dla gazów oraz możliwość wytwarzania elastycznych struktur o niewielkiej grubości.

W koncepcji biohybrydowego płuca ogromne znaczenie ma jednak nie tylko transfer tlenu i dwutlenku węgla. Drugim zasadniczym problemem jest sposób, w jaki powierzchnia sztucznego materiału oddziałuje z krwią.

Z tego względu badacze oceniali możliwość funkcjonalizacji struktur komórkami śródbłonka. Śródbłonek fizjologicznie wyścieła wewnętrzną powierzchnię naczyń krwionośnych i odgrywa fundamentalną rolę w utrzymaniu prawidłowych właściwości powierzchni kontaktującej się z krwią.

Według wyników przedstawionych przez autorów możliwe było uzyskanie biohybrydowego interfejsu śródbłonkowego przy zachowaniu transportu gazów. Jest to ważne z perspektywy przyszłego rozwoju urządzeń przeznaczonych do długotrwałego kontaktu z krwią.

Od tomografii komputerowej do indywidualnego sztucznego płuca

Jedną z interesujących cech technologii TPMS jest możliwość całkowicie cyfrowego projektowania architektury membrany. Otwiera to drogę do łączenia jej z danymi anatomicznymi uzyskanymi podczas obrazowania pacjenta.

Autorzy wykorzystali geometrie uzyskane na podstawie tomografii komputerowej, aby wykazać możliwość przeniesienia projektowanych membran do struktur odpowiadających anatomicznym kształtom przyszłego sztucznego płuca.

W dalszej perspektywie obrazy CT mogłyby zatem stać się podstawą projektowania indywidualnych konstrukcji dostosowanych do anatomii konkretnego pacjenta. Złożona struktura wewnętrzna byłaby następnie wytwarzana metodą druku 3D.

Koncepcja zakłada również możliwość zasiedlania takich konstrukcji komórkami śródbłonka – pochodzącymi od pacjenta lub odpowiednio przygotowanymi do zastosowania w biohybrydowym układzie.

Ostatecznym celem programu badawczego jest implantowalne biohybrydowe płuco mogące długotrwale wspomagać lub zastępować funkcję uszkodzonego narządu.

Znaczenie dla przyszłych systemów ECMO

Potencjalne zastosowanie struktur TPMS nie ogranicza się do odległej perspektywy stworzenia w pełni implantowalnego biohybrydowego płuca.

Prof. Bettina Wiegmann zwraca uwagę, że sama architektura TPMS może być interesująca także bez warstwy komórek śródbłonka. Zastąpienie obecnych membran z włókien kanalikowych odpowiednio zaprojektowaną strukturą trójwymiarową mogłoby w przyszłości przyczynić się do opracowania bardziej wydajnych i kompaktowych oksygenatorów.

Istotne jest jednak zachowanie właściwej perspektywy. Wynik wskazujący na do około 88% większy transfer tlenu odnosi się do zoptymalizowanych struktur badanych w ramach przedstawionego modelu i analizowanego zakresu przepływu. Nie należy interpretować go jako wykazanej 88-procentowej poprawy wyników klinicznych ECMO ani jako dowodu, że nowa membrana jest już gotowa do zastosowania u chorych.

Znaczenie pracy polega przede wszystkim na pokazaniu, że architektura membrany może być jednym z kluczowych parametrów projektowych sztucznego płuca. Dzięki połączeniu modelowania komputerowego, druku 3D, materiałów gazoprzepuszczalnych i biologizacji powierzchni możliwe staje się projektowanie urządzenia jako zintegrowanego układu, a nie wyłącznie zestawu oddzielnych elementów.

Badania prowadzone przez zespoły MHH i RWTH Aachen wpisują się tym samym w długofalowy kierunek rozwoju pozaustrojowych oraz implantowalnych systemów wspomagania narządów: miniaturyzację, poprawę transportu gazów, lepszą kontrolę przepływu oraz zwiększanie zgodności urządzenia z krwią.

Krótki słownik pojęć