Una membrana impresa en 3D podría permitir pulmones artificiales más pequeños y eficientes

Para los pacientes con enfermedad pulmonar avanzada, el soporte respiratorio duradero es limitado y los órganos de donante son escasos. La oxigenación por membrana extracorpórea (ECMO) puede servir de puente ante el fallo, pero las membranas oxigenadoras actuales generan flujo turbulento y favorecen la formación de coágulos, lo que restringe la duración de uso y el tamaño del dispositivo. Estas limitaciones complican la atención en cuidados críticos y las vías de trasplante. Para superar estas restricciones, los investigadores han desarrollado una arquitectura de membrana impresa en 3D que busca aumentar el intercambio gaseoso y, al mismo tiempo, permitir pulmones artificiales más compactos.

La Facultad de Medicina de Hannover, en colaboración con el Centro de Baja Sajonia para Ingeniería Biomédica, Investigación y Desarrollo de Implantes, está desarrollando una plataforma de pulmón biohíbrido basada en los principios de la oxigenación por membrana extracorpórea (ECMO). La innovación del equipo consiste en una membrana de superficie mínima triplemente periódica (TPMS) que sustituye los haces convencionales de fibras huecas. El enfoque busca aumentar la transferencia de oxígeno y reducir al mismo tiempo el tamaño del dispositivo.

La arquitectura TPMS forma una red tridimensional continua que distribuye la sangre de manera más uniforme que las fibras huecas paralelas. Al minimizar las regiones de bajo flujo y reducir la resistencia al flujo, mejora las condiciones para el intercambio gaseoso. Su geometría se asemeja al empaquetamiento de gran superficie de los alvéolos naturales, y puede fabricarse y personalizarse con la impresión 3D moderna.

En la evaluación preclínica, los diseños TPMS optimizados lograron hasta un 88% más de transferencia de oxígeno en comparación con las membranas de fibras huecas. Los resultados se publicaron en Advanced Materials y reflejan una colaboración entre la Facultad de Medicina de Hannover y la Universidad RWTH de Aquisgrán como parte del programa de la Fundación Alemana de Investigación "Hacia un pulmón implantable". Los desarrolladores señalan que el método también podría hacer que los sistemas convencionales de ECMO fueran más eficientes y compactos.

La membrana se produce a partir de un polímero de silicona especializado que es biocompatible, no tóxico, químicamente estable y altamente permeable al oxígeno y al dióxido de carbono. La superficie puede ser colonizada por células endoteliales, lo que podría mejorar la hemocompatibilidad. A más largo plazo, el equipo pretende utilizar exploraciones de tomografía computarizada (TC) de pulmones dañados como plantillas para segmentos de pulmón artificial o pulmones completos específicos para cada paciente, sembrados con células endoteliales del propio paciente o modificadas genéticamente, para su implantación permanente.

"Hasta ahora, solo hemos podido usar la ECMO para apoyar la función pulmonar durante un tiempo limitado porque la sangre forma coágulos al entrar en contacto con las superficies artificiales", dijo Bettina Wiegmann, especialista en medicina de urgencias y consultora en cirugía cardíaca del Departamento Clínico de Cirugía Cardiotorácica, de Trasplantes y Vascular de la Escuela de Medicina de Hannover.

"Hemos optimizado las arquitecturas TPMS. Como resultado, conseguimos hasta un 88% más de transferencia de oxígeno que con las membranas convencionales de fibras huecas. Esto significa que, en el futuro, podría ser posible un suministro de oxígeno igual o incluso mejor con pulmones artificiales significativamente más pequeños", dijo Wiegmann.

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Escuela de Medicina de Hannover