Acute respiratory distress syndrome vereist onmiddellijke actie. In een noodsituatie als deze, patiënten worden vaak beademd met behulp van een hart-longmachine. Dit houdt in dat het bloed buiten het lichaam circuleert, zuurstof toevoegen en koolstofdioxide verwijderen via membranen. Een team van onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP heeft een nieuw soort membraanstructuur ontwikkeld die een snellere gasuitwisseling mogelijk maakt om de bloedoxygenatie voor patiënten gemakkelijker te maken.

Ernstig zieke longpatiënten die lijden aan acuut respiratoir distress syndroom worden kunstmatig beademd met behulp van een medisch apparaat - medische professionals noemen deze procedure extracorporele membraanoxygenatie (ECMO), een alternatief voor traditionele machinale beademing. Het gaat om het afnemen van bloed uit het lichaam via een buisje, verrijking van het bloed met zuurstof en verwijdering van koolstofdioxide uit het lichaam met behulp van een membraanoxygenator, waarna het bloed via een tweede buisje weer in de bloedbaan wordt gebracht. Deze procedure is zeer veeleisend voor patiënten en kan slechts gedurende een korte periode worden uitgevoerd.

Asymmetrische membraanstructuren voor hoge zuurstofuitwisseling

Onderzoekers van Fraunhofer IAP in Potsdam hebben zich ten doel gesteld dit proces zachter te maken voor patiënten. Namens het Oostenrijkse bedrijf CCORE Technology, ze ontwikkelen membraanmorfologieën die de beademingsondersteuning kunnen versterken. Commerciële membranen hebben een symmetrische structuur en zijn ontworpen voor langzame zuurstofuitwisseling. "Dus bedenken we asymmetrische structuren met eigenschappen die een veel snellere gasuitwisseling mogelijk maken dan conventionele membranen, " zegt Murat Tutuş, een onderzoeker bij Fraunhofer IAP. "Onze USP is dat we uit verschillende polymeren een gerichte membraanstructuur kunnen maken."

In tegenstelling tot symmetrische membranen, die intrinsiek homogeen zijn, asymmetrische membranen onderscheiden zich door hun heterogene, niet-uniforme porositeit. Naar de scheidingslaag toe, de structuur wordt gekenmerkt door kleine holtes, waaronder grote holtes zijn die eronder open zijn. Het gas wordt door convectie snel getransporteerd naar de nabijheid van de scheidingslaag via de grote, open holtes, waar het vervolgens via de kleine belletjes langzaam een ​​korte afstand moet afleggen door diffusie naar de scheidingslaag. Daarna, de gassen gaan via een ultradun laagje over naar het andere medium. “Onze membranen hebben een structuur die is afgestemd op het gewenste membraanmateriaal. ons membraan heeft een uitzonderlijk hoge gasdoorlaatbaarheid en een hoge mechanische stabiliteit. Daar bovenop, het membraanmateriaal is zowel inert als zacht, zoals het idealiter zou moeten zijn voor een materiaal dat in contact komt met bloed, ’ legt de ingenieur uit.

De structuur werd aanvankelijk geïmplementeerd in platte membranen met behulp van de standaard precipitatiemethode om latere gemakkelijke en kosteneffectieve opschaling mogelijk te maken. Om de morfologie te verkrijgen waarnaar ze op zoek waren, het onderzoeksteam gebruikte zowel conventionele als onconventionele polymeren en paste de procesparameters dienovereenkomstig aan. "Het zuurstoftransport werd verviervoudigd onder de gedefinieerde omstandigheden. de vervaardigde membranen hadden een drukstabiliteit van minimaal 7 bar, maar over het algemeen hoger dan 10 bar TMP (transmembraandruk), " zegt Murat Tutuş.

Membraan barstbaar in aorta

Als volgende stap, de onderzoekers willen het bloedoxygenatieproces transformeren van een extracorporaal naar een intracorporaal proces. Dit houdt in dat het membraan van holle vezels zodanig wordt geminiaturiseerd dat het in de aorta kan worden geplaatst, die een diameter heeft van ongeveer een centimeter. "De uitdaging bestaat uit het creëren van membraanmorfologieën die een zeer hoog zuurstoftransport over een klein oppervlak kunnen garanderen, ", zegt Murat Tutuş. Omdat dit niet haalbaar is met platte membranen, de onderzoeker en zijn team passen de structuur aan op holle vezelmembranen. Hiertoe, het team ontwikkelt op het instituut speciaal een hollevezelspinmachine in samenwerking met hun collega Dr. André Lehmann. De machine wordt naar verwachting begin 2020 in gebruik genomen.

Aangezien de membraanmorfologieën kunnen worden aangepast aan specifieke vereisten, de scheidingslagen zijn ook geschikt voor andere medische toepassingen, zoals dialyse of het bepalen van de bloedsuikerspiegel. Maar ook industriële toepassingen zijn denkbaar, bijvoorbeeld de holle-vezelmembranen zouden kunnen worden aangepast voor waterzuivering of als luchtfilters.