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Sauerstoffaustausch bei Lungenversagen Lebensretter Beatmung: Neue Membran für künstliche Lungen

| Autor/ Redakteur: Dr. Sandra Mehlhase* / Christian Lüttmann

Bei akutem Lungenversagen kann eine Herz-Lungen-Maschine den Patienten künstlich beatmen. In einem Kreislauf außerhalb des Körpers führt eine Membran dem Blut Sauerstoff zu. Fraunhofer-Forscher haben nun Membranen entwickelt, die den Prozess erleichtern sollen und künftig sogar direkt in die Blutbahn des Patienten eingesetzt werden könnten.

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Membranmorphologie mit Schaumschicht: Die Schaumschicht hat eine stützende Funktion, hindert aber den konvektiven Transport zur Grenzschicht. Solche Strukturen sind druckstabil.
Membranmorphologie mit Schaumschicht: Die Schaumschicht hat eine stützende Funktion, hindert aber den konvektiven Transport zur Grenzschicht. Solche Strukturen sind druckstabil.
(Bild: Fraunhofer IAP)

Potsdam – Menschen mit akutem Lungenversagen werden mithilfe einer externen Lunge beatmet. Fachleute bezeichnen diesen Vorgang als extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO). Dabei wird Blut über eine Kanüle aus dem Körper abgenommen, außerhalb des Körpers mit einem Membran-Oxygenator mit Sauerstoff angereichert, von Kohlendioxid befreit und über eine zweite Kanüle wieder in den Blutkreislauf eingeführt. Dieser Vorgang ist für die Betroffenen außerordentlich belastend und kann nur über einen kurzen Zeitraum durchgeführt werden. Forscher am Fraunhofer Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) entwickeln deshalb neue Membranmorphologien und wollen die künstliche Beatmung damit schonender für Patienten gestalten.

Asymmetrie für den Geschwindigkeitsboost

Kommerzielle Membranen verfügen über eine symmetrische Struktur und sind für einen langsamen Sauerstoffaustausch ausgelegt. „Wir konzipieren daher asymmetrische Strukturen, die aufgrund ihrer Eigenschaften einen wesentlich schnelleren Gasaustausch ermöglichen als konventionelle Membranen“, sagt Dr.-Ing. Murat Tutuş vom Fraunhofer IAP. „Unser Alleinstellungmerkmal ist es, aus verschiedenen Polymeren eine gezielte Membranstruktur herstellen zu können.“

Anders als symmetrische Membranen, die in sich homogen sind, zeichnen sich die asymmetrischen durch ihre inhomogene, uneinheitliche Porosität aus. Zur Trennschicht hin prägen kleine Hohlräume die Struktur, darunter befinden sich große, nach unten hin offene Hohlräume. Das Gas kann schnell über die großen und offenen Hohlräume in die Nähe der Trennschicht strömen (Konvektion), wo es anschließend nur einen kurzen Weg langsam zur Trennschicht über die kleinen Blasen zurücklegen muss (Diffusion). Anschließend treten die Gase über eine ultradünne Schicht in das andere Medium über.

Viermal schnellerer Sauerstofftransport

„Unsere Membranen weisen eine abgestimmte Struktur aus dem gewünschten Membranmaterial auf. So besitzt unsere Membran einerseits eine außerordentlich hohe Gasdurchlässigkeit und weist eine hohe mechanische Stabilität auf und andererseits ist das Membranmaterial inert und weich zugleich, wie es idealerweise im Kontakt mit Blut sein sollte“, erklärt Tutuş.

Die asymmetrische Membran soll erheblich schneller sein als ihre symmetrisch aufgebauten Vorgänger, wie der Ingenieur sagt: „Der Sauerstofftransport wurde unter den vorgegebenen Bedingungen um den Faktor vier erhöht. Dabei zeigten die hergestellten Membranen eine Druckstabilität von mindestens sieben Bar, in der Regel aber größer zehn Bar TMP (Transmembrane pressure).“

Ziel: Künstliche Lunge in Aorta platzieren

Im nächsten Schritt wollen die Forscher die extrakorporale in eine intrakorporale Blutoxygenation überführen. Das heißt, die Membran aus Hohlfasern soll so miniaturisiert werden, dass sie sich in der Aorta platzieren lässt, die einen Durchmesser von etwa einem Zentimeter hat. „Die Herausforderung besteht darin, Membranmorphologien zu erzeugen, die über eine kleine Oberfläche einen sehr hohen Sauerstofftransport gewährleisten können“, sagt Tutuş. Über Flachmembranen lässt sich das nicht realisieren, daher passen der Forscher und sein Team die Struktur an Hohlfasermembranen an. Um dies umsetzen zu können, entsteht am Fraunhofer IAP eigens eine Hohlfaserspinnanlage, die Anfang 2020 ihren Betrieb aufnehmen soll.

Da sich die Membranmorphologien an gewünschte Vorgaben anpassen lassen, eignen sich die Trennschichten ebenso für andere medizinische Anwendungen, etwa für die Dialyse oder zur Bestimmung des Blutzuckers. Aber auch der industrielle Einsatz ist denkbar, beispielsweise können die Hohlfasermembranen für die Wasseraufreinigung oder als Luftfilter adaptiert werden.

* Dr. S. Mehlhase, Fraunhofer-Institut für angewandte Polymerforschung, 14476 Potsdam

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