3D εκτύπωση φέρνει πιο κοντά τον τεχνητό πνεύμονα: Νέα μεμβράνη αυξάνει την οξυγόνωση έως και 88%

Για τους ανθρώπους με σοβαρή και μη αναστρέψιμη πνευμονική νόσο, η μεταμόσχευση μπορεί να αποτελεί τη μόνη διαθέσιμη λύση όταν οι πνεύμονες αδυνατούν πλέον να εξασφαλίσουν επαρκή οξυγόνωση του οργανισμού. Όμως οι διαθέσιμοι πνεύμονες δοτών δεν επαρκούν για όλους τους ασθενείς. Μια νέα τεχνολογική προσέγγιση από ερευνητές της Ιατρικής Σχολής του Ανόβερου στη Γερμανία θα μπορούσε να ανοίξει έναν διαφορετικό δρόμο: την ανάπτυξη μικρότερων, αποδοτικότερων και στο μέλλον πιθανώς εμφυτεύσιμων τεχνητών πνευμόνων.

Στο επίκεντρο βρίσκεται μια καινούργια μεμβράνη που κατασκευάζεται με τρισδιάστατη εκτύπωση και, σύμφωνα με τα πειράματα των ερευνητών, μπορεί να αυξήσει τη μεταφορά οξυγόνου έως και 88% σε σύγκριση με τις συμβατικές μεμβράνες που χρησιμοποιούνται στα συστήματα ECMO.

Πώς λειτουργεί ένας τεχνητός πνεύμονας

Η τεχνολογία βασίζεται στην εξωσωματική οξυγόνωση μεμβράνης, γνωστή ως ECMO. Πρόκειται για ένα σύστημα υποστήριξης της καρδιοαναπνευστικής λειτουργίας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ασθενείς των οποίων οι πνεύμονες δεν μπορούν προσωρινά να ανταποκριθούν στις ανάγκες του οργανισμού.

Στα συμβατικά συστήματα ECMO, το αίμα περνά μέσα από χιλιάδες μικροσκοπικές κοίλες ίνες. Οι ίνες αυτές λειτουργούν ως τεχνητή επιφάνεια ανταλλαγής αερίων: το οξυγόνο περνά στο αίμα και το διοξείδιο του άνθρακα απομακρύνεται.

Η τεχνολογία είναι αποτελεσματική, όμως έχει σημαντικούς περιορισμούς. Η συγκεκριμένη διάταξη των ινών μπορεί να προκαλεί ανομοιόμορφη ροή του αίματος, ενώ η επαφή του αίματος με τεχνητές επιφάνειες μπορεί να ευνοεί τον σχηματισμό θρόμβων.

Μια εντελώς διαφορετική αρχιτεκτονική

Η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής την καθηγήτρια Bettina Wiegmann στράφηκε σε μια διαφορετική μορφολογία, τις λεγόμενες τριπλά περιοδικές ελάχιστες επιφάνειες, γνωστές ως TPMS.

Πρόκειται για πολύπλοκες τρισδιάστατες δομές που δημιουργούν ένα συνεχές δίκτυο καναλιών. Σε αντίθεση με τις παράλληλες κοίλες ίνες, η αρχιτεκτονική αυτή μπορεί να κατανέμει πιο ομοιόμορφα τη ροή του αίματος μέσα στη μεμβράνη.

Η λογική θυμίζει σε κάποιο βαθμό τον φυσικό πνεύμονα. Οι κυψελίδες διαθέτουν τεράστια συνολική επιφάνεια ανταλλαγής αερίων, η οποία είναι «συσκευασμένη» σε έναν σχετικά μικρό χώρο.

Οι δομές TPMS δεν μπορούν ακόμη να αναπαράγουν την εξαιρετική πυκνότητα του φυσικού πνεύμονα, προσφέρουν όμως έναν τρόπο δημιουργίας μεγάλης επιφάνειας ανταλλαγής μέσα σε περιορισμένο όγκο.

Έως και 88% περισσότερη μεταφορά οξυγόνου

Το πιο εντυπωσιακό αποτέλεσμα της νέας έρευνας αφορά την απόδοση.

Μετά τη βελτιστοποίηση της αρχιτεκτονικής TPMS, οι ερευνητές πέτυχαν έως και 88% υψηλότερη μεταφορά οξυγόνου σε σχέση με τις συμβατικές μεμβράνες κοίλων ινών.

Η διαφορά αυτή θα μπορούσε να έχει ιδιαίτερη σημασία για τον σχεδιασμό των μελλοντικών συστημάτων υποστήριξης της αναπνοής.

Αν μια μικρότερη συσκευή μπορεί να προσφέρει την ίδια ή μεγαλύτερη ποσότητα οξυγόνου, τότε θεωρητικά ανοίγει ο δρόμος για πιο συμπαγή συστήματα ECMO, αλλά και για τεχνητούς πνεύμονες που θα μπορούσαν κάποτε να εμφυτεύονται στο σώμα.

Η τρισδιάστατη εκτύπωση είναι το μεγάλο πλεονέκτημα

Ένα από τα σημαντικότερα στοιχεία της νέας προσέγγισης είναι ότι η περίπλοκη γεωμετρία της TPMS μπορεί να κατασκευαστεί με ακρίβεια μέσω 3D εκτύπωσης.

Αυτό επιτρέπει στους ερευνητές να τροποποιούν τη δομή, το μέγεθος και την αρχιτεκτονική της μεμβράνης ανάλογα με τις ανάγκες του συστήματος.

Η μεμβράνη κατασκευάζεται από ειδικό πολυμερές σιλικόνης, το οποίο, σύμφωνα με την ερευνητική ομάδα, είναι βιοσυμβατό, μη τοξικό και ιδιαίτερα διαπερατό στο οξυγόνο και το διοξείδιο του άνθρακα.

Ακόμη πιο ενδιαφέρον είναι ότι η επιφάνειά της μπορεί να υποστηρίξει την ανάπτυξη ενδοθηλιακών κυττάρων. Πρόκειται για κύτταρα που φυσιολογικά επενδύουν το εσωτερικό των αιμοφόρων αγγείων και παίζουν σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση της πήξης.

Αν αυτή η δυνατότητα αξιοποιηθεί επιτυχώς, θα μπορούσε να βελτιώσει την αιμοσυμβατότητα των τεχνητών πνευμόνων.

Ο στόχος: εξατομικευμένος τεχνητός πνεύμονας

Το πιο φιλόδοξο σχέδιο των ερευνητών βρίσκεται ακόμη πιο μακριά. Στο μέλλον, η αξονική τομογραφία ενός ασθενούς θα μπορούσε θεωρητικά να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ενός λεπτομερούς «χάρτη» του κατεστραμμένου πνεύμονα.

Με τη βοήθεια αυτού του μοντέλου και της τρισδιάστατης εκτύπωσης θα μπορούσαν να κατασκευάζονται εξατομικευμένα τμήματα τεχνητού πνεύμονα ή, μακροπρόθεσμα, ολόκληρες τεχνητές πνευμονικές δομές.

Οι ερευνητές εξετάζουν επίσης την πιθανότητα επένδυσης των κατασκευών με κύτταρα του ίδιου του ασθενούς, ώστε να δημιουργηθεί ένα περισσότερο βιολογικά συμβατό σύστημα.

Δεν είναι ακόμη έτοιμος για ασθενείς

Παρά τα εντυπωσιακά αποτελέσματα, είναι σημαντικό να γίνει σαφές ότι δεν πρόκειται ακόμη για έναν εμφυτεύσιμο τεχνητό πνεύμονα διαθέσιμο στην κλινική πράξη.

Η έρευνα βρίσκεται σε προκλινικό και τεχνολογικό στάδιο και απαιτούνται επιπλέον μελέτες για την ασφάλεια, τη μακροχρόνια λειτουργία, την πήξη του αίματος, τη βιοσυμβατότητα και την πραγματική αποτελεσματικότητα σε ζωντανούς οργανισμούς και τελικά σε ανθρώπους.

Ωστόσο, το νέο εύρημα αποτελεί σημαντικό βήμα. Η δυνατότητα συνδυασμού τρισδιάστατης εκτύπωσης, προηγμένης αρχιτεκτονικής μεμβρανών και βιοϋλικών μπορεί να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο σχεδιάζονται τα συστήματα τεχνητής υποστήριξης των πνευμόνων.

Και ίσως, στο μέλλον, η ιδέα ενός τεχνητού πνεύμονα που δεν θα αντικαθιστά απλώς προσωρινά τη λειτουργία του φυσικού οργάνου, αλλά θα μπορεί να λειτουργεί μόνιμα μέσα στο σώμα, να περάσει από τη σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας στην ιατρική πραγματικότητα.