Verbessertes Blutverträglichkeit einer axialen Blutpumpe Sputnik durch ein neues Design und eine neuartige gerinnungshemmende Oberflächenbeschichtung

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Groth
• Fachliche Zuordnung: Kardiologie, Angiologie ; Biomaterialien ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426037012

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Akutes und chronisches Herzversagen sind eine große Herausforderung für die moderne Medizin. Während die Transplantation von Spenderherzen die beste Lösung ist, bieten ventrikuläre Assistsysteme (VAD) aus Titanlegierungen als implantierbare Axialpumpen die Möglichkeit, Patienten am Leben zu erhalten, die auf ein Spenderorgan warten. Die Anwendung von VAD erfordert jedoch eine systemische Antikoagulation, die das Thromboserisiko verringert, aber das Blutungsrisiko erhöht. Darüber hinaus birgt das Design von VAD das Risiko einer scherungsinduzierten Schädigung von Blutkomponenten, aber auch einer Thrombose aufgrund der unzureichenden Blutkompatibilität der metallischen Pumpenkomponenten. Daher untersuchten wir hier zunächst Strategien zur Verbesserung der Blutverträglichkeit von Titan durch kovalente oder adsorptive Bindung von Heparin. Da eine direkte Bindung von Heparin an Titan nicht möglich ist, wurde eine Aktivierung des Metalls entweder durch Organosilane (OS) oder Phosphonate durchgeführt, wobei sich zeigte, dass die Phosphonatkopplung an Titan nicht stabil war. Daher wurden OS für die Oberflächenaktivierung verwendet, die Aminogruppen für die Immobilisierung von Heparin bereitstellten, was sich hinsichtlich der gerinnungshemmenden Aktivität gegenüber Faktor Xa als günstig erwies. Eine zusätzliche Opferbeschichtung von Heparin wurde durch die Adsorption von Mehrfachschichten (PEM) erreicht, die Kationen wie Chitosan mit antibakteriellen Eigenschaften und nicht fraktioniertes Heparin kombinierten. Die Beschichtungen waren bei Einwirkung von Pufferlösungen über einen Zeitraum von 3 Wochen stabil. Es zeigte sich auch, dass die PEM mit adsorptiv gebundenem Heparin hinsichtlich der Hemmung der Blutgerinnung durch Messung der partiellen Thromboplastin- und Thrombinzeit, aber auch hinsichtlich ihrer Anti-Xa-Aktivität dem kovalent gebundenen Heparin überlegen waren. Andererseits waren die Thrombozytenadhäsion und -aktivierung auf kovalent immobilisiertem Heparin im Vergleich zu PEM deutlich geringer. Schließlich hafteten Makrophagen, die bei Implantat-assoziierten Entzündungsreaktionen eine Schlüsselrolle spielen, in geringerem Maße an der Heparin-haltigen Multischichten und zeigten geringere Anzeichen für eine Aktivierung frei als bei reinem Titan. Insgesamt kann sowohl die kovalente als auch die adsorptive Immobilisierung von Heparin auf Titan durch die Aktivierung mit OS dazu führen, dass VADs oder bestimmte Teile davon mit einer ausgezeichneten lokalen gerinnungshemmenden Wirkung ausgestattet werden, die das Risiko einer Thrombose im Gerät verringern kann.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Control of Blood Coagulation by Hemocompatible Material Surfaces—A Review. Bioengineering, 8(12), 215.
  Kuchinka, Janna; Willems, Christian; Telyshev, Dmitry V. & Groth, Thomas
  
• Hemolytic Performance in Two Generations of the Sputnik Left Ventricular Assist Device: A Combined Numerical and Experimental Study. Journal of Functional Biomaterials, 13(1), 7.
  Romanova, Alexandra N.; Pugovkin, Alexander A.; Denisov, Maxim V.; Ephimov, Ivan A.; Gusev, Dmitry V.; Walter, Marian; Groth, Thomas; Bockeria, Olga L.; Le, Tatyana G.; Satyukova, Anna S.; Selishchev, Sergey V. & Telyshev, Dmitry V.
  
• Wearable and implantable artificial kidney devices for end‐stage kidney disease treatment: Current status and review. Artificial Organs, 47(4), 649-666.
  Groth, Thomas; Stegmayr, Bernd G.; Ash, Stephen R.; Kuchinka, Janna; Wieringa, Fokko P.; Fissell, William H. & Roy, Shuvo