La sindrome da distress respiratorio acuto richiede un intervento immediato. In una situazione di emergenza come questa, i pazienti sono spesso ventilati utilizzando una macchina cuore-polmone. Ciò comporta la circolazione del sangue al di fuori del corpo, aggiunta di ossigeno e rimozione di anidride carbonica tramite membrane. Un team di ricercatori del Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP ha sviluppato un nuovo tipo di struttura a membrana che consente uno scambio di gas più rapido al fine di facilitare l'ossigenazione del sangue per i pazienti.

I pazienti polmonari gravemente malati che soffrono di sindrome da distress respiratorio acuto vengono ventilati artificialmente utilizzando un apparato medico:i professionisti medici si riferiscono a questa procedura come ossigenazione extracorporea a membrana (ECMO), un'alternativa alla tradizionale respirazione meccanica. Si tratta di prelevare il sangue dal corpo attraverso un tubo, arricchire il sangue di ossigeno e rimuovere l'anidride carbonica all'esterno del corpo utilizzando un ossigenatore a membrana, quindi reintrodurre il sangue nel flusso sanguigno tramite un secondo tubo. Questa procedura è estremamente impegnativa per i pazienti e può essere eseguita solo per un breve periodo.

Strutture a membrana asimmetriche per un elevato scambio di ossigeno

I ricercatori del Fraunhofer IAP di Potsdam si sono posti l'obiettivo di rendere questo processo più delicato per i pazienti. Per conto della società austriaca CCORE Technology, stanno sviluppando morfologie a membrana in grado di intensificare il supporto ventilatorio. Le membrane commerciali hanno una struttura simmetrica e sono progettate per un lento scambio di ossigeno. "Quindi stiamo ideando strutture asimmetriche con caratteristiche che consentono uno scambio di gas molto più veloce rispetto alle membrane convenzionali, "dice Murat Tutuş, un ricercatore presso Fraunhofer IAP. "Il nostro USP è che possiamo produrre una struttura a membrana mirata da vari polimeri".

A differenza delle membrane simmetriche, che sono intrinsecamente omogenei, le membrane asimmetriche si distinguono per la loro eterogeneità, porosità non uniforme. Verso lo strato di separazione, la struttura è caratterizzata da piccole cavità, al di sotto delle quali si aprono ampie cavità che si aprono al di sotto. Il gas viene rapidamente trasportato per convezione in prossimità dello strato di separazione attraverso il grande, cavità aperte, dove successivamente deve percorrere lentamente solo una breve distanza per diffusione allo strato di separazione attraverso le piccole bolle. Dopo di che, i gas passano all'altro mezzo attraverso uno strato ultrasottile. "Le nostre membrane hanno una struttura su misura per il materiale della membrana desiderato. Di conseguenza, la nostra membrana possiede una permeabilità ai gas eccezionalmente elevata e un'elevata stabilità meccanica. In cima a questo, il materiale della membrana è sia inerte che morbido, proprio come dovrebbe essere idealmente per un materiale che viene a contatto con il sangue, " spiega l'ingegnere.

La struttura è stata inizialmente implementata in membrane piatte utilizzando il metodo di precipitazione standard per facilitare il successivo upscaling facile ed economico. Per ottenere la morfologia che stavano cercando, il team di ricerca ha utilizzato polimeri sia convenzionali che non convenzionali e ha regolato di conseguenza i parametri di processo. "Il trasporto di ossigeno è stato quadruplicato nelle condizioni definite. Allo stesso tempo, le membrane prodotte avevano una stabilità alla pressione di almeno 7 bar, ma generalmente superiore a 10 bar TMP (pressione transmembrana), " dice Murat Tutuş.

Membrana scoppiabile in aorta

Come passo successivo, i ricercatori vogliono trasformare il processo di ossigenazione del sangue da extracorporeo a intracorporeo. Ciò significa miniaturizzare la membrana di fibre cave a tal punto da poterla collocare nell'aorta, che ha un diametro di circa un centimetro. "La sfida consiste nel creare morfologie di membrana in grado di garantire un trasporto di ossigeno molto elevato su una piccola superficie, " dice Murat Tutuş. Poiché questo non è realizzabile con membrane piatte, il ricercatore e il suo team stanno adattando la struttura alle membrane a fibre cave. A tal fine, il team sta sviluppando appositamente un filatoio a fibra cava presso l'istituto in collaborazione con il collega Dr. André Lehmann. La macchina dovrebbe essere messa in servizio all'inizio del 2020.

Poiché le morfologie delle membrane possono essere adattate a specifiche esigenze, gli strati di separazione sono adatti anche per altre applicazioni mediche, come la dialisi o la determinazione dei livelli di zucchero nel sangue. Ma sono ipotizzabili anche usi industriali, ad esempio le membrane a fibra cava possono essere adattate per la depurazione dell'acqua o come filtri per l'aria.