3DLung - Implantierbare künstliche Lunge auf Basis von dreidimensionalen Membranen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Steinseifer; Professor Dr.-Ing. Matthias Wessling; Dr. Bettina Wiegmann
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Herz- und Gefäßchirurgie
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 347368182

Chronische Atemwegserkrankungen können häufig nur durch eine Lungentransplantation behandelt werden. Die begrenzte Verfügbarkeit von Spenderorganen führt jedoch weltweit zu vielen Todesfällen.Obwohl technische Systeme zur Lungenunterstützung (ECLA) für eine begrenzte Zeit die Funktion der Lunge übernehmen können, bleiben dauerhafte Lösungen wie eine implantierbare künstliche Lunge (IAL) bislang außer Reichweite.Die derzeitigen ECLA-Systeme, die alle auf Hohlfasermembranen (HF) basieren, sind nicht in der Lage den erforderlichen O2- und CO2- Austausch zu gewährleisten. Zudem leiden Sie unter einer flussinduzierten Blutgerinnung. Diese Blutgerinnung wird durch unvermeidliche Totzonenbildung verursacht, die den Hohlfaseranordnungen intrinsisch sind. Daher gibt es keinen technologischen Weg, um auf der Grundlage bestehender Systeme IALs zu entwickeln.Die enormen Fortschritte in der additiven Fertigung ermöglichen die Herstellung von komplexen Geometrien, die die bisherigen technischen Grenzen überwinden. Mathematisch optimierte Strukturen, so genannte „triply periodic minimal surfaces“ (TPMS), versprechen ein optimales Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, eine verbesserte passive Durchmischung sowie die Eliminierung von Totzonen. Diese TPMS-Strukturen sind für die grundlegende Verbesserung der Membranleistung und ein organo-mimetisches Design prädestiniert.In unserem Schwerpunktprogramm-Vorgängerprojekt "3D-printed membrane architectures for ECMO application” haben wir erfolgreich poröse TPMS 3D-Membranen hergestellt und ihre Überlegenheit gegenüber Hohlfasermembranen nachgewiesen. Ermutigt durch diesen wichtigen Meilenstein streben wir die Entwicklung der ersten implantierbaren künstlichen Lunge (IAL) an. Unsere interdisziplinäre Arbeitsgruppe will dieses ehrgeizige Ziel mit dem folgenden Arbeitsprogramm erreichen: Mit der medizinischen Expertise und der Abschätzung der chirurgischen Möglichkeiten für die IAL sollen die geometrischen Rahmenbedingungen bezüglich Form, Volumen und Konnektivität zur Patienten-/Luftversorgung identifiziert werden. Durch die Kombination von Strömungsexperimenten und -simulationen leiten wir Designstrategien für die IAL ab und entwickeln daraus eine optimale Architektur um den Gasaustausch innerhalb der geometrischen Randbedingungen zu maximieren. Die daraus resultierende komplexe Membran-Architektur wird mit der additiven Fertigung hergestellt. Hierzu werden fortschrittliche Fertigungsmethoden zur Membranherstellung entwickelt. Abschließend wird die erste implantierbare künstliche Lunge in-vitro, ex-vivo und in-vivo unter Verwendung neuer fortschrittlicher Tiermodellsysteme getestet. Damit ebnet dieses Projekt den Weg zur ersten implantierbaren künstlichen Lunge.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2014: Auf dem Weg zur implantierbaren Lunge