Morfología de la membrana con capa de espuma. La capa de espuma tiene una función de soporte pero dificulta el transporte por convección a la capa límite. Tales estructuras son estables a la presión. Crédito:Fraunhofer IAP
El síndrome de dificultad respiratoria aguda requiere una acción inmediata. En una situación de emergencia como esta, los pacientes a menudo son ventilados mediante una máquina de circulación extracorpórea. Esto implica hacer circular la sangre fuera del cuerpo, añadiendo oxígeno y eliminando el dióxido de carbono a través de membranas. Un equipo de investigadores del Instituto Fraunhofer de Investigación Aplicada de Polímeros IAP ha desarrollado un nuevo tipo de estructura de membrana que permite un intercambio de gases más rápido para facilitar la oxigenación de la sangre en los pacientes.
Los pacientes pulmonares gravemente enfermos que padecen síndrome de dificultad respiratoria aguda son ventilados artificialmente utilizando un aparato médico; los profesionales médicos se refieren a este procedimiento como oxigenación por membrana extracorpórea (ECMO), una alternativa a la respiración artificial tradicional. Implica extraer sangre del cuerpo a través de un tubo, enriquecer la sangre con oxígeno y eliminar el dióxido de carbono fuera del cuerpo mediante un oxigenador de membrana, luego reintroducir la sangre en el torrente sanguíneo a través de un segundo tubo. Este procedimiento es extremadamente exigente para los pacientes y solo puede llevarse a cabo durante un período corto.
Estructuras de membrana asimétricas para un alto intercambio de oxígeno
Los investigadores de Fraunhofer IAP en Potsdam se han fijado el objetivo de hacer que este proceso sea más suave para los pacientes. En nombre de la empresa austriaca CCORE Technology, están desarrollando morfologías de membrana capaces de intensificar el soporte ventilatorio. Las membranas comerciales tienen una estructura simétrica y están diseñadas para un intercambio de oxígeno lento. "Así que estamos ideando estructuras asimétricas con características que permiten un intercambio de gases mucho más rápido que las membranas convencionales, "dice Murat Tutuş, investigador de Fraunhofer IAP. "Nuestra USP es que podemos fabricar una estructura de membrana específica a partir de varios polímeros".
Morfología de la membrana con una capa de espuma extremadamente fina, sin embargo, transporte de material muy elevado. Las cavidades abiertas permiten el transporte convectivo hasta la capa límite. El transporte de material aumenta a expensas de la estabilidad mecánica (aprox. 10 bar). Crédito:Fraunhofer IAP
A diferencia de las membranas simétricas, que son intrínsecamente homogéneos, Las membranas asimétricas se distinguen por su heterogeneidad, porosidad no uniforme. Hacia la capa de separación, la estructura se caracteriza por pequeñas cavidades, debajo del cual hay grandes cavidades que están abiertas debajo. El gas se transporta rápidamente por convección a la proximidad de la capa de separación a través de la gran, cavidades abiertas, donde posteriormente tiene que viajar lentamente una corta distancia por difusión a la capa de separación a través de las pequeñas burbujas. Después, los gases cruzan al otro medio a través de una capa ultrafina. "Nuestras membranas tienen una estructura adaptada al material de membrana deseado. En consecuencia, nuestra membrana posee una permeabilidad a los gases excepcionalmente alta y una alta estabilidad mecánica. En la parte superior de esta, el material de la membrana es inerte y blando, al igual que idealmente debería ser para un material que entra en contacto con la sangre, "explica el ingeniero.
La estructura se implementó inicialmente en membranas planas utilizando el método de precipitación estándar para facilitar el posterior escalado fácil y rentable. Para obtener la morfología que buscaban, el equipo de investigación utilizó polímeros convencionales y no convencionales y ajustó los parámetros del proceso en consecuencia. "El transporte de oxígeno se cuadruplicó en las condiciones definidas. Al mismo tiempo, las membranas fabricadas tenían una estabilidad a la presión de al menos 7 bar, pero generalmente superior a 10 bar TMP (presión transmembrana), "dice Murat Tutuş.
Membrana rompible en la aorta
Como siguiente paso, los investigadores quieren transformar el proceso de oxigenación de la sangre de uno extracorpóreo a uno intracorpóreo. Esto significa miniaturizar la membrana hecha de fibras huecas hasta tal punto que pueda colocarse en la aorta, que tiene un diámetro de alrededor de un centímetro. "El desafío consiste en crear morfologías de membrana que puedan garantizar un transporte de oxígeno muy alto sobre una superficie pequeña, "dice Murat Tutuş. Como esto no se puede lograr con membranas planas, el investigador y su equipo están adaptando la estructura a membranas de fibra hueca. Para tal fin, el equipo está desarrollando especialmente una máquina de hilar de fibra hueca en el instituto en colaboración con su colega, el Dr. André Lehmann. Está previsto que la máquina se ponga en servicio a principios de 2020.
Dado que las morfologías de las membranas se pueden adaptar a requisitos específicos, las capas de separación también son adecuadas para otras aplicaciones médicas, como la diálisis o la determinación de los niveles de azúcar en sangre. Pero los usos industriales también son concebibles, por ejemplo, las membranas de fibra hueca podrían adaptarse para la purificación de agua o como filtros de aire.
