ExMeTrA - Expansion Mediated Transport & Accumulation
Stand der Technik
Bei akuter Einschränkung der Lungenfunktion, beispielsweise durch starke Rauchvergiftung, Lungenentzündung, oder Verletzungen, werden in der Intensivmedizin häufig sogenannte ECMO (Extracorporeal Membrane Oxygenation) Systeme eingesetzt. Diese Extrakorporalen Blutkreisläufe bestehen aus einem Oxygenator (Blutgasaustauscher), der temporär die Funktionen der Lunge ersetzt, sowie einer Blutpumpe, die das Blut des Patienten durch den künstlichen und anschließend zurück in den natürlichen Kreislauf des Patienten befördert. Diese beiden Komponenten, sowie gegebenenfalls ein Wärmetauscher, werden als Einzelmodule über Schläuche miteinander verbunden.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten diese Systeme in den Blutkreislauf eines Patienten zu integrieren. Man unterscheidet allgemein zwischen venovenösen und venoarteriellen Bypässen. Bei der ersten Variante wird das Blut beispielsweise aus der Beinvene entnommen und nach dem Durchströmen durch den Blutgasaustauscher zurück in den venösen Kreislauf geleitet. Bei venoarteriellen Anwendungen wird ebenfalls venöses Blut aus dem Patienten entnommen. Dieses wird jedoch nach Durchströmen des Oxygenators in den arteriellen Kreislauf gepumpt. Bei dieser Anwendung wird das Herz des Patienten durch den Bypass teilweise überbrückt.
Oxygenatoren bestehen heutzutage häufig aus mehreren tausend, meist mikroporösen Hohlfasermembranen mit wenigen hundert Mikrometern Durchmesser, die mit Sauerstoff durchströmt werden. Diese Hohlfasern werden meist in Matten hergestellt und zu zylindrischen Modulen aufgewickelt, oder quaderförmig übereinander gelegt. Werden diese Fasern mit Blut umströmt, so diffundiert aufgrund des Konzentrationsgefälles, Sauerstoff aus den Fasern in das Blut. Zugleich wird dem Blut Kohlendioxid entzogen. Die Effektivität dieses Gasaustauschs lässt sich durch geeignete Strömungsführungen, wie beispielsweise gleichmäßige Anströmung der Fasern, sowie der Vermeidung von Totwassergebieten oder Kurzschlussströmen, wesentlich verbessern.
Künstliche Blutkreisläufe, wie die ECMO Systeme werden heutzutage häufig aus unterschiedlichen, nicht speziell aufeinander abgestimmten Komponenten aufgebaut. Insbesondere bei der Herstellung der Oxygenatoren gibt es bisher nur wenige Anstrengungen die Gasaustauschleistung durch optimierte Anordnung der Hohlfasermembranen, oder verbesserte Strömungsführung effizienter zu gestalten. Daraus resultieren gewaltige Ausmaße der extrakorporalen Blutkreisläufe, die im klinischen Alltag viele Probleme mit sich bringen.
- Abbildung 1: Kleinster kommerziell erhältlicher Oxygenator neben Frühgeborenem
Projektbeschreibung
Im Rahmen des ExMeTrA Projektes soll ein Oxygenator entwickelt werden, der neben dem Gasaustausch auch eine pulsierende Pumpfunktion übernehmen soll. Durch die Kombination von Blutpumpe und Gasaustauscher, sowie durch eine optimierte Strömungsführung innerhalb dieses Oxygenators, kann das Füllvolumen minimiert werden. Mithilfe eines solchen pumpenden Gasaustauschers könnten die Gesamtvolumina herkömmlicher künstlicher Blutkreisläufe deutlich verringert werden. Ein pumpender Oxygenator könnte, bei geeigneter Kanülierung ein komplettes ECMO System ersetzen. Aufgrund der geringen Baugröße ist der Einsatz eines Wärmetauschers zunächst nicht geplant, da das komplette System nah am Patienten platziert werden kann und somit nur wenig Wärme über die kurzen Schläuche verloren geht. Somit wird auch ein Einsatz bei Neugeborenen, oder sogar Frühgeborenen möglich. Letztere haben häufig Probleme mit der Lunge, da diese sich im Mutterleib erst in den letzten Schwangerschaftswochen voll entwickelt. Da das Füllvolumen heutiger ECMO Systeme zu groß für diese Patientengruppe ist, können sie gegenwärtig nicht ausreichend versorgt werden (siehe Abbildung 1).
Auch erwachsene Patienten hätten einen Nutzen aus einem verringerten Füllvolumen des künstlichen Kreislaufs. So sind langfristig für ECMO Systeme mit geringer Baugröße auch mobile Einsätze, beispielsweise in Krankentransportwagen, oder Rettungshubschraubern denkbar. Dadurch könnte die Behandlung von Schwerstverletzten in Zukunft erheblich verbessert werden.
- Abbildung 2: Funktionsprinzip des ExMeTrA Oxygenators
Funktionsweise
In das Bündel Hohlfasern, die den Gasaustausch mit dem Blut realisieren, werden kleinlumige, dünnwandige Silikonschläuche integriert. Durch das Anlegen eines Druckpulses kollabieren und expandieren diese. Die Druckpulse werden in einem Pulsator erzeugt. An Ein- und Auslass des Oxygenators befinden sich aktive Ventile, die mit den Druckpulsen innerhalb der Silikonschläuche gekoppelt werden. So wird eine Blutströmung durch den Oxygenator erzeugt.
Dadurch, dass die pulsierenden Silikonschläuche direkt im Faserbündel platziert sind und das Blut während des Pumpens aktiv anziehen und verdrängen, wird das Blut im gesamten Faserbündel verteilt. Die Gefahr von Rezirkulations- und Stagnationsgebieten wird dadurch wesentlich verringert. Unmittelbar zwischen Faserbündel und Ein- bzw. Auslass werden zusätzlich Strömungsverteilerplatten angebracht. Diese dünnen Plättchen bestehen im Wesentlichen aus Löchern und Schlitzen und sorgen für eine verbesserte Durchströmung des Faserbündels. Die Dimensionierung dieser Plättchen wird als Teil dieses Projektes numerisch untersucht.
- Abbildung 3: Erstes, zylindrisches Fasermodul (Labormuster) mit integrierten Silikonschläuchen
Aktueller Stand des Projekts
Für eine erste Testphase wurden zylindrische Oxygenatoren mit integrierten pulsierenden Pumpschläuchen hergestellt (siehe Abbildung 3). Die Funktionalität der Pumpschläuche konnte gezeigt werden, indem die angestrebten maximalen Volumenströme von 500 ml/min erreicht wurden. Der Gasaustausch dieser Module wurde ebenfalls gemessen. Hier gibt es noch Verbesserungspotential, was auf die noch nicht optimierte Anströmung des Faserbündels, sowie die geringe Membranoberfläche (0,2 m²) zurückzuführen ist.
Um die Durchströmung durch das Faserbündel innerhalb des Oxgenators zu verbessern, werden Strömungsverteilerplatten zwischen dem Faserbündel und Ein- bzw. Auslass platziert. Mithilfe von numerischen Simulationen wurde die Geometrie dieser Strömungsverteilerplatten optimiert.
- Abbildung 4: Links: Beispielhafte Geometrie zum Berechnen der optimalen Strömungsverteilerplatte, Rechts: Ergebnis einer Simulation
Gegenwärtig bearbeitete Punkte:
• Überarbeitung der Form des Faserbündels
o Ziel - Im Vergleich zu den ersten Prototypen bessere Gasaustauschleistung bei gleichbleibender Faseroberfläche
• Verbesserung des Herstellprozesses der gewickelten Fasermodule
• Entwicklung eines automatischen Verfahrens zur Positionierung der Fasern:
o Ziel - Durch einzelnes Positionieren der Fasern ließen sich nahezu beliebige Faseranordnungen realisieren. Dies kann vor allem bei der Herstellung strömungsoptimierter Faserbündel in Zukunft eine wesentliche Rolle spielen.
Förderung
Diese Studien werden im Rahmen eines Forschungs- und Entwicklungsprojekts der "Dritte Patentportfolio Beteiligungsgesellschaft mbH & Co. KG" durchgeführt. Das Projekt ExMeTra, eines von 22 Patentportfolien aus einem Technologieentwicklungsfonds, der von einer deutschen Großbank und einem unabhängigen Initiator aufgelegt wurde, ist Eigentum der Dritte Patentportfolio Beteiligungsgesellschaft mbH & Co. KG. Die IP Bewertungs AG (IPB) berät den Technologieentwicklungsfonds bei der Auswahl von zukunftsfähigen Projekten und unterstützt ihn bei der Weiterentwicklung und Auslizenzierung.
