Multiphysik und multiskalige Optimierung einer implantierbaren Biohybridlunge

• Antragsteller: Dr.-Ing. Sotirios Korossis, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Nuklearmedizin, Strahlentherapie, Strahlenbiologie ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 348028075

Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Computermodellen für die Optimierung des Designs, der Funktion und zur post-operative Leistungsbewertung eines biohybriden intrakorporalen Membranoxygenators (iCMO). Dabei soll eine Computermodell-Plattform geschaffen werden mit welcher verschiedene Oxygenator-Geometrien, Konfigurationen der Gasaustausch-Membran und integrierte Blutpumpeinheiten abgefragt werden können. Ebenso soll die Auswirkung auf die Hämodynamik und der damit einhergehenden Thrombogenizität innerhalb der Systemkomponenten, als auch der Effekt auf den Gasaustausch ersichtlich werden. Des Weiteren müssten verschiedene Kanülierungstechniken und Betriebsmodi für verschiedene Lungendysfunktions-Schweregrade einbezogen werden. Derzeit steht für die Therapie terminaler Lungenkrankheiten nur die Transplantation der Lunge zur Option. Aufgrund der limitierten Transplantat-Verfügbarkeit kann nur einem kleinen Prozentsatz an Patienten auf der Warteliste zeitnah geholfen werden. Die Extrakorporale Membran Oxygenierung (ECMO) ist eine auf modernen Intensivstationen etablierte therapeutische Maßnahme, welche zur Überbrückung bis zur Transplantation angewendet werden kann. Häufig dabei auftretende Komplikationen sind Thrombosierungen, Embolien und Entzündungen, die durch den Kontakt des Blutes mit den fremden Materialien hervorgerufen werden. Darum ist die Verwendungsdauer der ECMO auf 4-6 Wochen beschränkt, wobei die Patienten intensivstationär und meist im sedierten Zustand mit mechanischer Beatmung verbleiben. Die Entwicklung eines Oxygenators, der Monate bis Jahre verwendbar ist und damit Lebensqualität und Lebenserwartung der Patienten maßgeblich verbessert, wäre ein bedeutsamer Fortschritt in Richtung einer Alternative zur Transplantation. Um dies zu erreichen müssen Oxygenatoren vollständig hämokompatibel und partiell, oder komplett implantierbar werden. Herausforderungen hierbei bestehen in der Miniaturisierung des Oxygenators und der Pumpeneinheit, in der Entwicklung von Anschlussmöglichkeiten an das Blutgefäß- und Gasversorgungssystem und in der Generierung von hämokompatiblen Membranen. Des Weiteren spielen Optimierung verschiedener Parameter wie Oxygenator- und Pumpengeometrie, Konfiguration und Positionierung in situ und Betriebseinstellungen für verschiedene Lungendysfunktions-Schweregrade eine wichtige Rolle. Jüngste Verbesserungen der Computerleistung und Softwareentwicklung haben anspruchsvolle multiphysikalische 3D-Modelle ermöglicht, mit deren Hilfe die Blutflussdynamik und der Gastransport, sowie deren Auswirkung auf die Funktion des Oxygenators, vorausberechnet werden kann. Mit Ausblick auf die vollständig endothelialisierte und implantierbare Biohybridlunge, wird innerhalb des vorgeschlagenen Antrags ein vollständig analysierter (in silico und in vitro) implantierbarer Prototyp nebst integrierter Pumpeneinheit konstruiert werden, der vor der Implantation zuverlässig endothelialisiert werden kann.

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