3DLung - 3D-gedruckte Membranen für künstliche Lungen

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Jutta Arens

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Jutta Arens

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Hintergrund

Gegenwärtige Membranlungen bestehen aus tausenden Hohlfasermembranen, welche Blut- und Gasphase voneinander trennen und eine große Oberfläche bereitstellen, um die Gasaustauschleistung der menschlichen Lunge im Falle eines akuten oder chronischen Lungenversagens zu übernehmen. Dabei umströmt der Blutfluss typischerweise die Hohlfasermembranen, während ein Gasstrom durch die Fasern geleitet wird. Der Gastransfer von Sauerstoff ins Blut und Kohlenstoffdioxid aus dem Blut geschieht passiv durch Diffusion über die Membran.

Auch wenn Membranoxygenatoren inzwischen routinemäßig für kardiopulmonale Eingriffe und mangels Alternativen auch zunehmend für die Therapie von chronischen Lungenerkrankungen eingesetzt werden, limitieren drei Faktoren oft visionierte und angestrebten den Einsatz als implantierte, künstliche Lunge: 1) der limitierte Gastransfer verursacht durch die den blutseitigen Diffusionswiderstand, 2) die Thrombogenität der Module durch eine inhomogene Flussverteilung und 3) Restriktionen in der Gestaltung durch das nicht-organische Design der geläufigen Hohlfasermembranen.

Die neue 3D-Drucktechnologien mit seinen Freiheitsgraden für die Herstellung erlaubt neuartige Membrandesigns, die das Potenzial besitzen die genannten Limitationen zu überwinden.

Projektziel

Das Ziel in diesem Forschungsvorhaben ist die Evaluierung der 3D-Membran für die Anwendung in künstlichen Lungen. Dafür sollen die Machbarkeit und das Potenzial der 3D-Membran evaluiert werden, die genannten Limitationen zu überwinden und somit einen großen Schritt hin zur implantierbaren künstlichen Lunge zu machen.

Um dieses Ziel zu erreichen und die Evaluation der 3D-Membran bis hin zu einem klinischen Level zu erlauben, wird das Projekt in interdisziplinären Zusammenarbeit des Lehr- und Forschungsgebiets für Kardiovaskuläre Technik (CVE) mit dem DWI-Leibniz Institut für Interaktive Materialien und der Medizinischen Klinik des Universitätsklinikums der RWTH Aachen durchgeführt.

Methoden

Die Aufgaben des CVE liegen dabei hauptsächlich in der Designentwicklung der 3D-Lung einschließlich Gehäuse und der anschließenden In-vitro-Testung.

Die drei obengenannten Limitationen gegenwärtiger Membranoxygenatoren sollen dabei direkt in den Entwicklungsprozess miteinbezogen werden. Der blutseitig limitierte Gastransfer in künstlichen Lungen kann dabei durch gezielte passive, laminare Durchmischung verbessert werden. Dadurch kann der diffusive Gesamtwiderstand nahezu auf den Membranwiderstand herabgesetzt werden. Eine Steigerung der Gasaustauschleistung ermöglicht eine Reduktion der notwendigen Gasaustauschfläche und damit gleichermaßen eine Miniaturisierung der Module und Verringerung unphysiologischer Gerinnungsreaktionen. Hierfür werden multikriterielle Suimulationen des Blutflusses und Gasaustausches mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) durchgeführt. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Optimierung des Gastransfers bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Bluttraumatisierung.

Die flussinduzierte Thrombenentstehung durch Stagnation gepaart mit lokal erhöhten Scherraten ist einer der Hauptgründe für die limitierte Langzeitanwendung von Oxygenatoren. Während in Hohlfasermembranmodulen nur eine einzige Blutflusspermeabilität realisierbar ist, bieten 3D-Membranen die Möglichkeit die Permeabilität bei Bedarf lokal zu erhöhen. Damit ist es möglich den Blutfluss in Regionen zu lenken, in denen typischerweise das Blut sonst stagniert. Umgekehrt können Gebiete mit hohen Flussgeschwindigkeiten und dementsprechend hohen Scherraten lokal entlastet werden. Hierfür werden Auswaschsimulationen eingesetzt, um diese jeweiligen Gebiete zu identifizieren und iterativ die Permeabilität an Strömungskonditionen anzupassen bis eine homogene Flussverteilung erreicht ist.

Für die anschließende In-vitro-Testung wird ein Labormuster mit adäquater Gasaustauschfläche entwickelt. Es sind Gasaustauschleistungstests und Hämolysetests zur Validierung geplant.

Parallel wird am DWI die Herstellung poröser 3D-Membranen und poröser 3D-Membranen mit solider Außenschicht für langzeitige Anwendungen erforscht.

Kooperationspartner
Förderer Dieses Projekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, Projektnummer 347368182