Organiczne materiały o właściwościach porotwórczych do zastosowań w medycynie

Organiczne materiały o właściwościach…

W momencie uszkodzenia płuc w tak dużym stopniu, że utlenowanie krwi jak również odbiór dwutlenku węgla stają się nieefektywne i niewystarczające, należy zastosować zewnętrzne systemy do utlenowania krwi takie jak ECMO. Niestety, systemy te nie są pozbawione wad i nie mogą być wykorzystywane w każdym przypadku i w nieskończenie długim czasie. Dlatego istotne stało się otrzymanie materiałów porowatych na membrany gazowymienne stosowane w układach do oksygenacji krwi. Tego właśnie zadania podjął się zespół badawczy TWAIN z Instytutu Inżynierii Biomedycznej Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach, Śląskiego Uniwersytetu Medycznego oraz Akademii Wychowania Fizycznego.

Materiały o właściwościach porotwórczych wykorzystywane są do wytwarzania membran selektywnych, czyli takich, które przepuszczają jedynie cząstki o określonej wielkości. Z materiałów tego typu wytwarza się m.in. membrany do stosowania przy produkcji przedmiotów codziennego użytku, takich jak namioty, kurtki, filtry, ale także membrany osmotyczne mające zastosowanie w medycynie: w filtrach do terapii nerkozastępczej oraz w oksygenatorach do utlenowania krwi. Najpopularniejszym, wysoko zaawansowanym technologicznie - w zastosowaniach niemedycznych - materiałem porotwórczym (wykorzystywanym np. do produkcji kurtek), z którego wykonywane są membrany jest poli(tetrafluoroetylen). Natomiast w zastosowaniach medycznych, czyli do budowy aparatury, z dotychczasowego stanu techniki znane są różne materiały, w tym te przewidziane do budowy porowatych membran stosowanych w aparaturze mającej bezpośredni kontakt z płynami ustrojowymi. 

Przeglądając literaturę i bazując na dostępnych opisach patentowych dowiadujemy się, że np. w PL225257 opisany jest układ membranowy do miejscowej immobilizacji komórek eukariotycznych, posiadający suport oraz co najmniej jedną biwarstwę. W układzie tym jedna warstwa nałożona jest bezpośrednio na grupę izolowanych komórek eukariotycznych i pozwala ona na izolację komórek eukariotycznych od środowiska zewnętrznego, w szczególności mikroorganizmów, jednocześnie nie ograniczając transportu substancji odżywczych przez membranę, pozwalając na ich ukierunkowany wzrost. 

W PL212620 opisana została specjalnie modyfikowana membrana poliolefinowa (PP, PE) oraz sposób modyfikowania mikroporowatych membran poliolefinowych przeznaczonych do izolacji bakterii Gram(+), a w PL197199 polimerowa membrana protonowo przewodząca na bazie uwodnionego poli(kwasu perfluorosulfonowego). 

W PL165872 przedstawiono sposób wytwarzania wielowarstwowej membrany porowatej z policzterofluoroetylenu, zawierającej co najmniej dwie warstwy posiadające pory o różnych przeciętnych średnicach, a w EP0409496 proces otrzymywania mikroporowatych membran zawierających co najmniej częściowo krystaliczny aromatyczny polimer posiadający w łańcuchu eter lub wiązania tioeterowe i ketonowe. Proces pozwala na wytwarzanie membran z niektórych aromatycznych polimerów o wysokiej temperaturze topnienia, np. PEDK. 

Rodzaj materiałów, z jakich wykonywane były membrany znane ze wskazanych wyżej rozwiązań, pozwala (ze względów sterycznych) na ich wykorzystanie do oksygenacji krwi, jednakże ich istotne ograniczenia biochemiczne w znaczącym stopniu limitują to zastosowanie. Membrany te nie zawierały bowiem dodatków zapewniających uwalnianie substancji przeciwkrzepliwych, co w takich zastosowaniach było ich istotną niedogodnością. Ponadto, ze względu na swoją strukturę charakteryzują się rozwiniętą topografią powierzchni w skali mikrometrycznej, co było przyczyną ich negatywnego działania na organizmy żywe. Na poziomie komórkowym membrany powodują steryczne uszkodzenie błon komórkowych, co skutkuje destabilizacją komórek. Co więcej, membrany nie mogą hamować tworzenia skrzeplin i nie zabezpieczają przed tworzeniem się biofilmu. 

Jak dotąd w zastosowaniach medycznych jako materiały o właściwościach porotwórczych stosowane były przede wszystkim polipropylen (PP) i poliuretan (PU). Na przykład w urządzeniach wykorzystywanych w procesie utlenowania (oksygenacji) krwi jako materiał porowaty do budowy membran używany był poliuretan, a do budowy elementów do rozdzielania warstw membran (spacer) stosowany był polipropylen. Pomimo wysokiej skuteczności takich membran pod względem wymiany gazowej, mają one ograniczenia związane zwłaszcza z inicjowaniem reakcji zapalnej z niskiej bioinercji tych materiałów. Wpływało to na tworzenie się stopniowo narastających skrzeplin na powierzchni membrany. 

W takim przypadku, aby utrzymać skuteczność utlenowania krwi, konieczne było zwiększenie stężenia tlenu, co indukuje stres oksydacyjny i nasila proces wykrzepiania, wywołując niekorzystną kaskadę szybko następujących po sobie niekorzystnych czynników, ponieważ należy ciągle zwiększać stężenie tlenu, aby utrzymać poziom saturacji krwi, a to nasila stres oksydacyjny i potęguje wykrzepianie. Po przekroczeniu pewnego progu ilość skrzeplin jest już tak duża, że urządzenie nie nadaje się do dalszej pracy (nie spełnia swojej funkcji) i należy wymienić cały układ oksygenatora.