È necessario avere un abbonamento a JoVE per visualizzare questo. Accedi o inizia la tua prova gratuita.
Method Article
* Questi autori hanno contribuito in egual misura
Questo studio ha studiato l'attività antivegetativa delle fibre cave del polmone artificiale rivestite dall'adescamento del dispositivo polmonare. Sebbene questo approccio alla modifica della superficie delle fibre sia pratico, l'efficacia del processo di rivestimento dipende dalla copertura dell'innesto attraverso gli strati di tappetino in fibra all'interno del fascio.
Sebbene l'elevato rapporto superficie/volume del fascio di fibre polmonari artificiali migliori lo scambio di gas, l'ampia superficie, la disposizione densa e le sostanze chimiche superficiali delle fibre sono i principali fattori che contribuiscono alla trombosi. Per mitigare questo problema, è essenziale modificare uniformemente le sostanze chimiche di superficie per ridurre efficacemente l'incrostazione proteica aspecifica, che può aiutare a limitare la trombosi e ridurre il rischio di tromboembolia o sanguinamento causato dagli anticoagulanti sistemici.
In questo studio, abbiamo esplorato l'applicazione e le proprietà antivegetative degli innesti di polimeri zwitterionici su fasci di fibre di polipropilene. Il processo di innesto ha comportato l'innesco del dispositivo polmonare artificiale con molecole di polisulfobetaina zwitterionica e linker di polidopamina per il rivestimento in situ . Le prestazioni dell'antivegetativa sono state valutate utilizzando il saggio standard di immunoassorbimento enzimatico legato al fibrinogeno (ELISA) e i saggi di incrostazione piastrinica lattato deidrogenasi. La spettroscopia fotoelettronica a raggi X ha confermato il rivestimento superficiale e sono state osservate riduzioni significative delle incrostazioni sulle fibre rivestite rispetto a quelle non rivestite, dimostrando l'utilità del processo di innesto e la promessa dei suoi effetti antivegetativi.
Tuttavia, sono state notate differenze nell'aspetto del rivestimento sulle fibre all'interno del fascio con il processo di rivestimento mediante adescamento, che potrebbero influire sulle prestazioni complessive dell'antivegetativa. Affrontare questo problema potrebbe migliorare ulteriormente l'efficienza antivegetativa dei fasci di fibre polmonari modificati attraverso l'innesto in situ .
Le fibre polmonari artificiali, note anche come membrane a fibra cava, sono materiali essenziali per la fabbricazione di dispositivi di ossigenazione extracorporea a membrana (ECMO) che forniscono supporto respiratorio ai pazienti critici. Più strati di queste fibre costituiscono un fascio denso che funge da unità di scambio gassoso. La superficie della fibra polimerica, tuttavia, attiva la cascata della coagulazione del sangue, portando alla formazione di coaguli (trombosi). La trombosi su superfici artificiali è principalmente guidata dall'attivazione della cascata della coagulazione, una complessa serie di reazioni enzimatiche che portano alla formazione di un coagulo di sangue. Quando il sangue entra in contatto con materiali estranei, come quelli presenti nei dispositivi medici (ad es. polmoni artificiali, stent, cateteri), si innesca la cascata della coagulazione 1,2. Questo processo inizia con l'esposizione del sangue alle superfici del materiale artificiale, che attiva il percorso intrinseco della cascata. Questa attivazione porta alla generazione di trombina, un enzima chiave che converte il fibrinogeno in fibrina, formando la base strutturale di un coagulo. Contemporaneamente, le piastrine vengono attivate e aggregate nel sito, rafforzando ulteriormente il coagulo. Il risultato è la trombosi, che può ostruire il flusso sanguigno e portare a gravi complicazioni come ictus o infarto del miocardio.
Per prevenire la trombosi sulle superfici artificiali, gli anticoagulanti tradizionali, come l'eparina, il warfarin e i più recenti anticoagulanti orali diretti (DOAC), sono comunemente usati 3,4. Questi farmaci agiscono interferendo con varie fasi della cascata della coagulazione. Ad esempio, l'eparina migliora l'attività dell'antitrombina III, un inibitore naturale della trombina, mentre il warfarin inibisce la sintesi dei fattori della coagulazione dipendenti dalla vitamina K. Tuttavia, l'uso di anticoagulanti presenta diverse sfide. In primo luogo, aumentano il rischio di sanguinamento, che può essere pericoloso per la vita in determinate situazioni. In secondo luogo, l'efficacia degli anticoagulanti può essere variabile, richiedendo un monitoraggio regolare e aggiustamenti della dose, in particolare con il warfarin. Inoltre, l'uso a lungo termine di anticoagulanti è associato a effetti avversi come l'osteoporosi e la necrosi cutanea. La necessità di anticoagulanti sistemici limita anche l'uso di dispositivi medici nei pazienti ad alto rischio di sanguinamento.
Poiché la trombosi può impedire lo scambio di gas attraverso la membrana a fibra cava, i rivestimenti antivegetativi sono stati applicati alle fibre polmonari utilizzando vari metodi, come il rivestimento per immersione e l'elettrofilatura, per prevenire la bioincrostazione 5,6. I produttori di polmoni artificiali in genere elaborano fibre cave ottenute commercialmente dai produttori di fibre e le assemblano nei polmoni attraverso passaggi che includono il raggruppamento delle fibre attorno a un nucleo solido, l'incapsulamento (incollaggio) delle estremità dei fasci, l'incorporazione di fasci incapsulati in una capsula di alloggiamento con canali di flusso di gas e sangue e la pulizia post-assemblaggio. Mentre il rivestimento delle fibre che non sono state impiantate nel polmone può essere più flessibile, una modifica della superficie nella fase di pre-raggruppamento sarà soggetta a diverse fasi di produzione che richiedono interazioni meccaniche e chimiche tra il rivestimento superficiale e gli ambienti di processo a valle, che possono portare a fibre denudate in un dispositivo in cui un'elevata copertura del rivestimento è essenziale per limitare la trombosi. In alternativa, il rivestimento può essere applicato al fascio invasato. Un vantaggio della capacità di rivestire i polmoni finiti è che si tratta di un approccio pratico e facile alla modifica dell'ingegneria di superficie, del dispositivo polmonare artificiale e di molti altri dispositivi. Ma in generale, il metodo di applicazione dei rivestimenti, sia a spruzzo che a immersione, è meno critico per la prevenzione della trombosi rispetto all'efficacia del rivestimento stesso. Ad esempio, le fibre cave utilizzate nei dispositivi medici possono essere rivestite per immersione durante l'estrusione, quindi lavorate a maglia in stuoie, avvolte in fasci e incorporate in un dispositivo polmonare artificiale finito. In alternativa, i rivestimenti possono essere applicati dopo che il dispositivo è stato prodotto. I fattori chiave, tuttavia, sono l'applicazione efficace, la durata e l'efficacia del rivestimento antitrombotico5. Questo perché, in assenza di anticoagulazione sistemica, la funzione di questi rivestimenti è un tassello essenziale per prevenire la formazione di coaguli, rendendo necessaria la necessità di un'antivegetativa altamente efficiente e duratura per garantire un'efficace prevenzione della trombosi.
Nonostante l'applicazione di rivestimenti antitrombogenici e la contemporanea somministrazione di basse dosi di anticoagulanti fino ad oggi, il modulo polmonare artificiale deve essere sostituito solo dopo un periodo di utilizzo relativamente breve, che va da giorni a 3 settimane 7,8, a causa della trombosi. L'efficienza di scambio gassoso delle loro membrane di fibre si deteriora dopo un tempo relativamente breve a causa dell'incrostazione da parte di una struttura di coaguli di sangue membranosi (composta da fibrina, singole cellule e gruppi di cellule) che copre ampie aree delle fibre, aumentando la loro barriera di diffusione del gas9. In generale, il tipo di rivestimento e il metodo di applicazione 10,11,12,13,14,15,16,17,18 utilizzati dipendono dalle proprietà desiderate, come la biocompatibilità e la durata. Diversi esempi di rivestimenti antivegetativi sono stati utilizzati su fibre polmonari artificiali. Includono il silicone che è ampiamente utilizzato per la sua biocompatibilità19, durata e resistenza alla bioincrostazione; poliuretano (PU) per la sua biocompatibilità e resistenza alla bioincrostazione20; chitosano grazie alle sue proprietà biocompatibili e antimicrobiche21,22, eparina che inattiva la trombina 23,8 e rivestimenti idrofili a base di polimeri24 tra cui poli(glicole etilenico)25,26, poli (2-metossietilacrilato)27 e fosforilcolina28,29.
I rivestimenti zwitterionici rappresentano una strategia promettente per ridurre la trombosi su superfici artificiali senza la necessità di anticoagulanti sistemici 5,6. Questi rivestimenti sono composti da molecole con cariche sia positive che negative, che si bilanciano a vicenda e danno luogo a una superficie altamente idrofila e non sporca. La natura zwitterionica di questi rivestimenti riduce l'adsorbimento delle proteine e l'adesione piastrinica, entrambi passaggi critici nell'inizio della cascata della coagulazione. Prevenendo l'interazione iniziale tra le proteine del sangue e la superficie artificiale, i rivestimenti zwitterionici inibiscono efficacemente l'attivazione della cascata della coagulazione e riducono il rischio di trombosi. Questo approccio non solo riduce al minimo la necessità di anticoagulanti sistemici, ma offre anche una soluzione più biocompatibile per l'uso a lungo termine dei dispositivi medici.
In questo studio, abbiamo valutato l'efficacia dell'adescamento del polmone artificiale con un rivestimento zwitterionico zwitterionico a bassissimo fouling (pSBMA) combinato con uno strato di polidopamina adesiva superficiale (pDOPA). Dopo l'adescamento del dispositivo, è stato posizionato da un lato all'altro ogni 10 minuti per 2 ore durante il processo di rivestimento. Per valutare le potenziali variazioni nel rivestimento attraverso il fascio di fibre, abbiamo misurato il fibrinogeno e l'incrostazione piastrinica sulle fibre situate sulla superficie e all'interno del fascio. Inoltre, abbiamo analizzato l'impatto del flusso sulle prestazioni dell'antivegetativa confrontando i dati sulle incrostazioni dei polmoni prima e dopo l'esposizione al flusso. Per le applicazioni antibiofouling a lungo termine che coinvolgono un flusso di fluidi complesso, i rivestimenti zwitterionici non solo devono inibire le incrostazioni dal sangue intero, un compito impegnativo, ma anche mantenere la loro efficacia sotto stress emodinamico per tutto il periodo di applicazione. Questi rivestimenti devono fornire una forte repulsione sterica contro l'adsorbimento proteico non specifico e raggiungere una densità di impacchettamento superficiale adeguata per formare una barriera del film di idratazione tra il substrato e il mezzo complesso. Inoltre, devono rimanere saldamente attaccati alla superficie senza il distacco dei linker che ancorano il rivestimento al substrato30. Il protocollo qui descritto è progettato per garantire l'applicazione di rivestimenti che soddisfano questi requisiti critici per una protezione efficace e duratura delle superfici.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Il protocollo segue le linee guida del comitato etico per la ricerca umana dell'Università di New Haven.
1. Rivestimento del circuito polmonare artificiale
NOTA: Il circuito polmonare artificiale è stato rivestito seguendo un approccio di innesto ZWITTERIONICO DOPA-SBMA in due fasi. I dettagli del fascio di fibre/ossigenatore sono informazioni proprietarie. Negli esperimenti in cui gli effetti del flusso sull'attività antivegetativa del polmone rivestito erano al centro dell'attenzione, l'ossigenatore e il circuito dei tubi (tubi Tygon da 5/16" con connettori in policarbonato coniugabile) sono stati sottoposti a un flusso salino tamponato con fosfato (PBS; pH 7,34, temp. ~37 °C) di 24 ore limitato dalla portata massima della nostra pompa di 1,22 L/min. Per contestualizzare, le portate esatte negli ossigenatori dipendono dalle esigenze del paziente e dalla situazione clinica specifica, ma generalmente variano da 2 a 7 L/min nei pazienti adulti. In questo caso è stato utilizzato il PBS per consentire una facile quantificazione delle incrostazioni dei marcatori chiave della coagulazione del sangue sulle fibre rivestite dopo il flusso. Qualsiasi effetto confondente dell'incrostazione del sangue intero, se il flusso sanguigno intero fosse utilizzato per valutare gli effetti della velocità di taglio sull'attività antivegetativa delle fibre rivestite, verrebbe eliminato utilizzando il PBS. Per rivestire il polmone artificiale sono stati utilizzati i seguenti passaggi:
2. Autopsia polmonare
3. Valutazione dell'incrostazione proteica su materiali rivestiti per circuiti polmonari
4. Effetti del flusso sull'attività antivegetativa
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Viene presentato un protocollo per l'innesto di polimeri zwitterionici del circuito polmonare artificiale mediante adescamento, smontaggio del dispositivo per la raccolta del campione di fibre rivestite e valutazione dell'antivegetativa delle fibre sezionate. Nella Figura 1 è illustrata la modifica della superficie dell'approccio del circuito polmonare artificiale. I polmoni sono stati esposti al plasma UVO per l'interazione del singoletto radicale di ossig...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Le fibre di polipropilene (PP) rivestite di PDMS nel polmone artificiale hanno dimostrato una relazione tra l'esposizione all'ozono e la struttura delle fibre, stabilendo un limite di sensibilizzazione per il plasma di ozono ultravioletto. Questo limite guida i tempi di esposizione necessari per generare radicali superficiali per l'innesto di materiali di rivestimento, in particolare polidopamina e polisulfobetaina metacrilato. Quando le fibre sono state esposte al plasma di ozono ultrav...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti. Il Dr. Keith Cook e il Dr. David Skoog detengono la partecipazione azionaria di ART LLC.
Questo lavoro è stato finanziato in parte attraverso un accordo di servizi nell'ambito di NIH 1R01HL140231-01A1.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Beakers | Thermo Fisher Scientific | https://www.thermofisher.com/search/browse/category/us/en/90094065 | Used in experiments |
Beckman Coulter Allegra X-30R centrifuge | Beckman Coulter | https://www.mybeckman.in/centrifuges/general-purpose/allegra-x-30 | For centrifugations |
Biochemguard BSL2 safety hood | Biochemguard | https://bakerco.com/images/uploads/assets/BiochemGARD_220v_Web_0.pdf | Used for UV light source in graft coating |
Bovine albumin serum (BSA) | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/substance/bovineserumalbumin123459048468 | Fibrinogen assay materials |
Citrated pooled male blood plasma | ZenBio | https://www.zen-bio.com/products/serum/human-blood-products.php | Used for experiments |
Citrate-phosphate buffer | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/search/citrate-phosphate-buffer?focus=products&page=1&perpage=30&sort=relevance&term=citrate-phosphate%20buffer&type=product | Fibrinogen assay materials |
Dopamine-hydrochloride | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/h60255 | For coating |
Dopamine-hydrochloride | Sigma-Aldrich | N/A | Fibrinogen assay materials |
Fluorescein conjugated Goat Immunoglobulin G (IGG) | Sigma Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/mm/aq303f | For Fluorescence Light Intensity measurements |
Horseradish peroxidase-conjugated anti-fibrinogen antibody | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/search/horseradish-peroxidase-conjugated-anti-fibrinogen?focus=products&page=1&perpage=30&sort=relevance&term=horseradish%20peroxidase%20conjugated%20anti-fibrinogen&type=product | Fibrinogen assay materials |
Hot Plate | Thermo Fisher Scientific | https://www.thermofisher.com/in/en/home/life-science/lab-equipment/hot-plates-stirrers/lab-hot-plates.html | Used in experiments |
Human fibrinogen powder | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/search/human-fibrinogen?focus=products&page=1&perpage=30&sort=relevance&term=human%20fibrinogen&type=product | Fibrinogen assay materials |
Jelight UVO-Cleaner model 144AX | Jelight | https://www.jelight.com/uvo-cleaner/ | Used for plasma treatment of medical device materials |
LDH assay kit | ABCAM | https://www.abcam.com/en-us/products/assay-kits/ldh-assay-kit-lactate-dehydrogenase-assay-kit-colorimetric-ab102526 | For LDH assay |
O-phenylenediamine (OPD) | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/p9029 | Fibrinogen assay materials |
PDMS coated polypropylene fibers | ART LLC | N/A | Part of artificial lung materials |
Phosphate buffered saline (PBS) | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/p4417 | Fibrinogen assay materials |
Plate Reader (BioTek) | BioTek | https://www.agilent.com/en/product/cell-analysis/real-time-cell-metabolic-analysis/plate-reader-metabolic-assays | For reading Fluorescence Light Intensity |
Polydimethylsiloxane (PDMS) | ART LLC | N/A | Part of artificial lung materials |
Sodium periodate (NaIO4) | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/substance/sodiummetaperiodate213897790285 | For coating |
Stockert Shiley multiflow roller pump | Sorin Biomedical | N/A | For flow experiments |
Sulfobetaine methacrylate (SBMA) | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/search/sulfobetaine-methacrylate-(sbma) | For coating |
TRIS-buffered saline (pH 8.5) | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/t8793 | Prepared in the lab from TRIS sachets |
Tygon tubing | ART LLC | N/A | Part of artificial lung materials |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Richiedi autorizzazione per utilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE
Richiedi AutorizzazioneThis article has been published
Video Coming Soon