Nonthrombogenic active surface modification of oxygenator membranes for an extended event-free use

• Nicht-thrombogene aktive Oberflächenmodifikation von Oxygenator- Membranen für einen verlängerten komplikationsfreien Einsatz

Obstals, Fabian; Herrmann, Andreas (Thesis advisor); Rodriguez-Emmenegger, César (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Blutkontaktierende medizinische Geräte zeichnen sich durch ihren außerordentlich nützlichen Beitrag in der modernen Medizin aus. Zu diesen Geräten gehören Katheter, Stents, Gefäßprothesen, Herzklappen, Hämodialyse-Systeme und Vorrichtungen für den Herz-Lungen-Ersatz. Trotz revolutionärer Fortschritte auf dem Gebiet der Biomaterialien in den letzten Jahrzehnten sind Komplikationen immer noch alltäglich und reichen von einer Beeinträchtigung des Geräts, das möglicherweise ersetzt werden muss, bis hin zu potenziell lebensbedrohlichen Szenarien für den Patienten. Der Kontakt von Blut mit einer künstlichen Oberfläche führt zu einer naturgemäß vorhandenen Aktivierung der Blutgerinnung und in der Regel zu einer Thrombose (neben anderen unerwünschten Komplikationen). Das Ziel dieser Arbeit war es, ein neues Konzepte für bioaktive Oberflächenmodifikationen vorzustellen, die die Eigenschaften des gesunden Endothels nachahmt. Um dieses schwer fassbare Ziel zu erreichen, wurden mehrere Funktionsebenen konstruiert, die zunächst einen passiven Schutz vor unerwünschtem Proteinfouling (Antifouling) und vor allem einen adaptiven bioaktiven Mechanismus (lokalisierte Fibrinolyse) direkt auf der Oberfläche bieten sollen. Es wurden Antifouling-Polymerbürsten auf kommerziell erhältlichen Poly-4-Methyl-1-Penten (PMP)- Membranen synthetisiert, die derzeit für die extrakorporale Membranoxygenierung Verwendung finden. Die Fähigkeit, unspezifischer Protein-, Blutplättchen- und Leukozytenadsorption zu widerstehen, wurde erfolgreich evaluiert und führte zu einer insgesamt verbesserten Hämokompatibilität. Darüber hinaus wurde ein innovatives Antifouling-Konzept für die Oberflächenmodifikation von umfangreicheren und komplexeren Materialien (z.B. Hohlfasermembranen) entwickelt. Die Antifouling-Fähigkeiten erwiesen sich als vergleichbar mit den besten gepfropften Polymerbürsten und unterstreichen zusammen mit der möglichen Anwendung auf einer Vielzahl von Materialien den universellen und ausbaufähigen Stellenwert der Antifouling-Strategie. Die Bioaktivität der Oberflächenmodifikation wurde in Anlehnung an die einzige vorhandene wahre hämokompatible Oberfläche realisiert: das gesunde Endothel. Die Natur nutzt diese leistungsfähige Blutgrenzfläche, um die Hämostase optimal zu steuern und eine unerwünschte Thrombusbildung zu verhindern. Das entwickelte Beschichtungssystem besteht aus einer Polymerbürstenschicht, die unspezifischen Wechselwirkungen mit Blut widersteht. Darüber hinaus sind diese Bürsten mit dem gewebespezifischen Plasminogenaktivator (tPA) biofunktionalisiert, was es dieser antifouling-bioaktiven Oberflächenmodifikation ermöglicht, den Zustand des Blutes zu erkennen und folglich dem Blut zu diktieren, die inhärente Fibrinolyse zu aktivieren. Dies führt zu der beispiellosen Fähigkeit, makroskopische Blutgerinnsel aufzulösen, selbst wenn die Oberflächendichte von tPA im Bereich von einigen ng·cm-2 liegt.

Einrichtungen

• DWI - Leibniz-Institut für Interaktive Materialien e.V. [052200]
• Fachgruppe Chemie [150000]
• Lehrstuhl für Makromolekulare Materialien und Systeme [155910]