Acute respiratory distress syndrome kräver omedelbar åtgärd. I en nödsituation som denna, patienter ventileras ofta med hjälp av en hjärt-lungmaskin. Detta innebär att blodet cirkulerar utanför kroppen, tillföra syre och ta bort koldioxid via membran. Ett team av forskare vid Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP har utvecklat en ny typ av membranstruktur som möjliggör snabbare gasutbyte för att göra blodsyresättningen lättare för patienter.

Allvarligt sjuka lungpatienter som lider av akut andnödssyndrom ventileras artificiellt med hjälp av en medicinsk apparat – läkare kallar denna procedur extrakorporeal membransyresättning (ECMO), ett alternativ till traditionell maskinandning. Det innebär att ta blod från kroppen via ett rör, berika blodet med syre och ta bort koldioxid utanför kroppen med hjälp av en membransyresättare, sedan återinföra blodet tillbaka till blodomloppet via ett andra rör. Denna procedur är extremt krävande för patienter och kan endast utföras under en kort period.

Asymmetriska membranstrukturer för högt syreutbyte

Forskare vid Fraunhofer IAP i Potsdam har satt upp som mål att göra denna process skonsammare för patienterna. På uppdrag av det österrikiska företaget CCORE Technology, de utvecklar membranmorfologier som kan intensifiera ventilationsstödet. Kommersiella membran har en symmetrisk struktur och är designade för långsamt syreutbyte. "Så vi utformar asymmetriska strukturer med egenskaper som tillåter mycket snabbare gasutbyte än konventionella membran, " säger Murat Tutuş, en forskare vid Fraunhofer IAP. "Vår USP är att vi kan tillverka en riktad membranstruktur av olika polymerer."

Till skillnad från symmetriska membran, som i sig är homogena, asymmetriska membran kännetecknas av sina heterogena, ojämn porositet. Mot separationsskiktet, strukturen kännetecknas av små hålrum, under vilka det finns stora håligheter som är öppna under. Gasen transporteras snabbt genom konvektion till separationsskiktets närhet via den stora, öppna hålrum, där den sedan måste färdas bara en kort sträcka långsamt genom diffusion till separationsskiktet via de små bubblorna. Efter det, gaserna går över till det andra mediet genom ett ultratunt skikt. "Våra membran har en struktur som är skräddarsydd för det önskade membranmaterialet. Följaktligen, vårt membran har exceptionellt hög gaspermeabilitet och hög mekanisk stabilitet. Dessutom, membranmaterialet är både inert och mjukt, precis som det helst borde vara för ett material som kommer i kontakt med blod, " förklarar ingenjören.

Strukturen implementerades initialt i platta membran med standardutfällningsmetoden för att underlätta efterföljande enkel och kostnadseffektiv uppskalning. För att få den morfologi de letade efter, forskargruppen använde både konventionella och okonventionella polymerer och justerade processparametrarna därefter. "Syretransporten fyrdubblades under de definierade förhållandena. Samtidigt, de tillverkade membranen hade en tryckstabilitet på minst 7 bar, men generellt högre än 10 bar TMP (transmembrantryck), säger Murat Tutuş.

Membran sprängbar i aorta

Som nästa steg, forskarna vill omvandla blodsyresättningsprocessen från en extrakorporeal till en intrakorporeal. Detta innebär att miniatyrisera membranet av ihåliga fibrer i en sådan utsträckning att det kan placeras i aortan, som har en diameter på cirka en centimeter. "Utmaningen består i att skapa membranmorfologier som kan säkerställa mycket hög syretransport över en liten yta, " säger Murat Tutuş. Eftersom detta inte är möjligt med platta membran, forskaren och hans team anpassar strukturen till hålfibermembran. För detta ändamål, teamet utvecklar speciellt en hålfiberspinningsmaskin vid institutet i samarbete med sin kollega Dr André Lehmann. Maskinen ska tas i drift i början av 2020.

Eftersom membranmorfologierna kan anpassas till specifika krav, separationsskikten är också lämpliga för andra medicinska tillämpningar, som dialys eller bestämning av blodsockernivåer. Men industriella användningar är också tänkbara — t.ex. hålfibermembranen skulle kunna anpassas för vattenrening eller som luftfilter.