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Hämokompatibilitätssteigerung und Kostenreduzierung von Herzunterstützungssystemen durch Keramisierung

Hintergrund

Laut der Weltgesundheitsorganisation sind ischämischen Herzkreislauferkrankungen weltweit die häufigste Todesursache. Verschiedenste Herzerkrankungen können in einer terminalen Herzinsuffizienz resultieren, das heißt das Herz ist so geschwächt, dass dessen Pumpfunktion gerade für die Lebenserhaltung des Körpers ausreicht. Zur Entlastung der geschwächten Herzen werden Herzunterstützungssystemen eingesetzt. Für den Therapieerfolg von implantierbaren Herzunterstützungssystemen ist die Blutverträglichkeit, welche auch Hämokompatibilität genannt wird, einer der wichtigsten Faktoren. Ist sie unzureichend führt dies zu Thrombosen, welche einen Hauptteil der Komplikationen bei solchen Systemen ausmachen. Therapiebegleitend werden den Patienten daher kontinuierlich Gerinnungshemmer verabreicht, deren Nebenwirkungen, wie beispielsweise Blutungen, die Lebensqualität zusätzlich einschränken.

Gemäß dem aktuellen Stand der Technik werden bei der Fertigung solcher Implantate erhebliche Anstrengungen unternommen, extrem glatte Oberflächen herzustellen. Hieraus resultieren hohe Fertigungskosten, beispielsweise durch den Einsatz händischer Endbearbeitungsverfahren. Zusätzlich bilden Fügestellen, an denen Bauteile miteinander verbunden werden und Oberflächendefekte, die beim Transport oder erstem Anlaufen der Pumpe entstehen, Problemstellen, an denen unkontrollierbares Thrombenwachstum stattfinden kann.

In den letzten Jahren konnte in unterschiedlichen Studien sowie in der Literatur als auch durch das Lehr- und Forshcungsgebiet Kardiovaskuläre Technik, kurz CVE, gezeigt werden, dass gezielt strukturierte oder angeraute Oberflächen im direkten Vergleich eine bessere Hämokompatibilität als glatte Oberflächen aufweisen. Aufbauend darauf wird im Rahmen des Kooperationsprojekts nun die Verbesserung der Hämokompatibilität bei gleichzeitiger Kostenreduktion durch die Implementierung einer abgestimmten Keramisierung an Herzunterstützungspumpen untersucht.

Projektziel

Der Fokus des Teilvorhabens „Vorhersage der Hämokompatibilität von keramisierten Oberflächen“ auf Seite des CVE liegt auf der Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Eigenschaften und Hämokompatibilität der metallischen und keramisierten Oberflächen. In vielseitigen In-vitro-Versuchen angelehnt an die DIN ISO 10993-4 werden dafür Materialproben zunächst statisch, quasi-statisch und anschließend dynamisch hinsichtlich Thrombozytenaktivierung und –adhäsion untersucht.

Dabei werden die Materialmodifikationen sukzessive auf Basis der erzielten Ergebnisse für den weiteren Projektverlauf ausgewählt bzw. ausgeschlossen. Für die dynamischen In-vitro-Versuche, die die Strömungsbedingungen im späteren Herzunterstützungssystem darstellen sollen, wird ein entsprechender Prüfstand weiterentwickelt. Abschließend werden mit den zwei besten Materialien Prototypen von Herzunterstützungssystemen gefertigt, die dann in In-vitro-Pumpenversuchen analysiert werden. Da es bislang keine standardisierte Methodik für die Bewertung der Hämokompatibilität von Blutpumpen gibt, wird auf Basis erster Forschungsansätze am CVE eine entsprechende Analyse etabliert. Anhand des Gerinnungsfaktors „von Willebrand-Faktor“, der durch mechanische Zerstörung in Blutpumpen an Funktionalität verliert und somit zum Blutungssydrom in Patienten führt, wird der Einfluss der modifizierten und keramisierten Pumpenoberfläche auf die Hämokompatibilität analysiert. Auf Basis der über die Laufzeit des Projekts gewonnenen Erkenntnisse und Ergebnisse wird am CVE parallel eine Methodik zur Hämokompatibilitäts-Vorhersage entwickelt. Dafür werden verschiedenste Oberflächenkennwerte mit den Ergebnissen der Hämokompatibilitätsuntersuchungen so korreliert, dass zukünftig eine Vorhersage der Hämokompatibilität im Rahmen der Bauteilauslegung möglich sein wird. Dies ist ein enormer Beitrag zur effektiven und kostenreduzierten Entwicklung von im Blutkontakt stehenden Medizinprodukten. Darüber hinaus tragen die Erkenntnisse des Teilvorhabens maßgeblich zur Entwicklung einer innovativen Herzunterstützungspumpe, die sowohl funktional als auch wirtschaftlich eine gute Alternative zu aktuellen Systemen darstellt, bei.

Methodik

Zur Untersuchung der Hämokompatibilität der unterschiedlichen Materialproben werden verschiedenste In-vitro-Blutversuche mit Schweineblut durchgeführt. Zunächst werden statische Versuche in plättchenreichem Plasma gemacht, um eine erste Materialvorauswahl treffen zu können. Die Analyse der Materialproben geschieht dabei vornehmlich optisch anhand der angelagerten Thrombotyten. In einem zweiten Schritt werden dann quasi-statische Versuche in der "Bowry-Kammer" mit Vollblut durchgeführt. Die dadurch zusätzlich gewonnenen Informationen werden für eine weitere Reduzierung der Materialmatrix verwendet.

Um den Einfluss der in Herzunterstützungssystemen herrschenden Strömungsbedingungen an den Fremdoberflächen zu untersuchen, wird ein dynamischer In-vitro-Teststand konzipiert, der eben diese unterschiedlichen Strömungsverhältnisse realisiert. So können verschiedene Keramisierungen unter den realistischen Bedingungen ihres späteren Einsatzortes hinsichtlich der Hämokompatibilität untersucht werden.

Um den Aspekt der mechanischen und scherbedingten Blutschädigung in Herzunterstützungssystemen zu untersuchen, wird in In-vitro-Pumpenversuchen sowohl die Hämolyse als auch die Zerstörung des von-Willebrand-Faktors untersucht. Dafür wird zunächst eine kostengünstige und zeiteffektive, sowie reproduzierbare und für die In-vitro-Diagnostik von Schweineblut geeignete Analysemethode auf Basis von Multimerenanalyse entwickelt.

 
Förderer: Europäische Union und Land Nordrhein-Westfalen