Una nuova geometria per il cuore degli ossigenatori
Un gruppo di ricerca della Medizinische Hochschule Hannover (MHH), in collaborazione con la RWTH Aachen University, sta sviluppando una nuova architettura di membrana destinata ai sistemi di ossigenazione artificiale del sangue. Il progetto punta a superare alcuni limiti delle membrane a fibre cave impiegate negli attuali sistemi ECMO, utilizzando strutture tridimensionali complesse che possono essere prodotte mediante fabbricazione additiva.
Il punto centrale della ricerca non consiste nella stampa 3D di un polmone anatomico completo. L’elemento studiato è la membrana attraverso la quale avviene lo scambio dei gas tra sangue e ambiente gassoso: una delle componenti decisive di qualsiasi sistema che voglia sostituire, almeno in parte, la funzione respiratoria del polmone.
I ricercatori hanno sviluppato membrane basate sulle cosiddette Triply Periodic Minimal Surfaces, o TPMS, superfici minime triplicemente periodiche. Si tratta di geometrie tridimensionali continue che creano due reti di canali separate ma strettamente interconnesse nello spazio. Questa caratteristica permette di ottenere una superficie di scambio elevata in un volume relativamente contenuto e, nello stesso tempo, di controllare con precisione il percorso seguito dai fluidi.
Nei test condotti dal gruppo guidato dalla professoressa Bettina Wiegmann, alcune configurazioni TPMS ottimizzate hanno ottenuto un trasferimento di ossigeno fino all’88% superiore rispetto alle tradizionali membrane a fibre cave utilizzate come riferimento.
Il risultato suggerisce la possibilità di ottenere, a parità di prestazioni, ossigenatori più piccoli oppure, nello stesso volume, dispositivi capaci di fornire una maggiore capacità di scambio gassoso.
Perché le attuali membrane ECMO rappresentano un limite
L’ECMO, acronimo di Extracorporeal Membrane Oxygenation, viene utilizzata nei pazienti con insufficienza respiratoria o cardiocircolatoria grave quando i trattamenti convenzionali non sono sufficienti.
Nel circuito ECMO il sangue viene prelevato dal paziente, fatto circolare attraverso un ossigenatore e poi reimmesso nell’organismo. All’interno dell’ossigenatore si trovano migliaia di sottilissime fibre cave realizzate con materiali polimerici permeabili ai gas.
Il sangue scorre attorno alle fibre, mentre al loro interno passa una miscela gassosa. Attraverso la parete della membrana l’ossigeno entra nel sangue e l’anidride carbonica viene rimossa.
Questa tecnologia è consolidata e ha permesso di sostenere pazienti con compromissioni polmonari estremamente severe, ma presenta alcuni problemi strutturali difficili da eliminare.
Le fibre devono essere impacchettate in grandi quantità per ottenere una superficie sufficiente allo scambio gassoso. Il sangue, attraversando questa struttura, non segue sempre percorsi perfettamente uniformi: possono formarsi regioni caratterizzate da velocità differenti, zone di ricircolo o aree nelle quali il flusso è ridotto.
La geometria dell’ossigenatore diventa quindi un problema non soltanto di efficienza, ma anche di emocompatibilità.
Quando il sangue entra in contatto con materiali artificiali vengono attivati diversi meccanismi biologici, fra cui coagulazione, adesione piastrinica e risposta infiammatoria. La formazione di trombi all’interno dell’ossigenatore può aumentare la resistenza al flusso e ridurre progressivamente la superficie effettivamente disponibile per lo scambio dei gas.
Per questo motivo i pazienti sottoposti a ECMO richiedono un controllo accurato della coagulazione e, in molti casi, una terapia anticoagulante. Il problema è particolarmente importante quando si immagina di trasformare una tecnologia nata per il supporto extracorporeo in un dispositivo destinato a funzionare per periodi molto più lunghi.
Dalle fibre cave a una superficie tridimensionale continua
La soluzione studiata da MHH e RWTH Aachen University consiste nel cambiare radicalmente la geometria interna dell’ossigenatore.
In una struttura TPMS non esistono migliaia di fibre separate disposte parallelamente. La membrana forma invece una superficie tridimensionale continua che attraversa tutto il volume del dispositivo e divide lo spazio in due sistemi di canali.
Una rete può essere utilizzata per il sangue e l’altra per il gas.
Dal punto di vista matematico, queste strutture consentono di ottenere rapporti molto elevati fra superficie disponibile e volume occupato. È una caratteristica particolarmente interessante per un dispositivo di scambio gassoso, perché la quantità di ossigeno trasferibile dipende anche dalla superficie della membrana disponibile.
Il principio ricorda, pur senza riprodurne direttamente l’anatomia, una delle caratteristiche fondamentali del polmone umano: comprimere una superficie enorme in uno spazio relativamente limitato.
La Medizinische Hochschule Hannover indica per il polmone umano una superficie respiratoria complessiva nell’ordine di circa 100-140 metri quadrati, distribuita all’interno di centinaia di milioni di alveoli. Le attuali TPMS non raggiungono una densità strutturale paragonabile a quella biologica, ma utilizzano lo stesso principio generale: aumentare la superficie disponibile senza aumentare proporzionalmente il volume esterno.
L’importanza della distribuzione del sangue
Una grande superficie, da sola, non è sufficiente.
Se una parte della membrana riceve molto sangue e un’altra ne riceve poco, la superficie disponibile non viene utilizzata in maniera efficiente. Le zone caratterizzate da un flusso troppo basso possono inoltre favorire fenomeni indesiderati legati alla coagulazione.
Il gruppo della RWTH Aachen University lavora da anni proprio sull’ottimizzazione fluidodinamica delle strutture TPMS.
In uno studio pubblicato nel 2025 sulla rivista Advanced Science, ricercatori della RWTH Aachen University, insieme a Bettina Wiegmann e ad altri specialisti del progetto, avevano sviluppato strutture reticolari TPMS la cui geometria variava localmente all’interno dell’ossigenatore.
L’obiettivo era distribuire il sangue in modo più uniforme.
Le strutture vennero progettate mediante ottimizzazione computazionale, fabbricate e successivamente analizzate attraverso tomografia computerizzata con mezzo di contrasto per ricostruire tridimensionalmente il flusso all’interno dei prototipi.
L’ottimizzazione aveva consentito di migliorare l’omogeneità della distribuzione del flusso fino al 12% rispetto alle geometrie di riferimento.
Il nuovo lavoro si inserisce quindi in una linea di sviluppo nella quale modellazione matematica, fluidodinamica, progettazione della membrana e fabbricazione additiva vengono trattate come parti dello stesso problema.
Il vantaggio della stampa 3D
Le geometrie TPMS sono particolarmente adatte alla fabbricazione additiva perché molte delle loro forme sarebbero estremamente difficili, o economicamente poco pratiche, da ottenere mediante lavorazioni convenzionali.
La stampa 3D permette invece di partire direttamente da un modello digitale e modificare parametri come dimensioni delle celle, curvatura della superficie, distribuzione dei canali e geometria complessiva dell’ossigenatore.
Questo consente di progettare non soltanto una singola membrana, ma famiglie di strutture ottimizzate per differenti condizioni di funzionamento.
Nel progetto coordinato dalla Medizinische Hochschule Hannover e dalla RWTH Aachen University, questa libertà geometrica viene considerata anche in prospettiva di una futura personalizzazione del dispositivo.
L’idea a lungo termine è utilizzare le immagini ottenute attraverso tomografia computerizzata del paziente per ricavare informazioni geometriche utili alla progettazione di segmenti di polmone artificiale adattati alle caratteristiche anatomiche e funzionali della persona.
In un simile scenario, la stampa 3D non sarebbe soltanto un sistema di produzione, ma diventerebbe il collegamento tra imaging medico, simulazione fluidodinamica e fabbricazione del dispositivo.
Un silicone permeabile a ossigeno e anidride carbonica
La geometria rappresenta soltanto metà del problema. La membrana deve infatti essere costruita con un materiale che permetta agli scambi gassosi di avvenire in maniera efficace.
Le TPMS sviluppate dal gruppo tedesco vengono realizzate utilizzando uno speciale polimero siliconico biocompatibile, scelto anche per la sua permeabilità all’ossigeno e all’anidride carbonica.
La stabilità chimica del materiale è importante perché un eventuale dispositivo destinato all’assistenza respiratoria prolungata dovrebbe mantenere le proprie caratteristiche durante un contatto continuativo con sangue e gas.
Ma il progetto della biohybrid lung della Medizinische Hochschule Hannover introduce un ulteriore passaggio: trasformare progressivamente una superficie puramente artificiale in una superficie biologizzata.
Rivestire il dispositivo con cellule endoteliali
Una delle linee di ricerca portate avanti dal gruppo del Niedersächsisches Zentrum für Biomedizintechnik, Implantatforschung und Entwicklung (NIFE) consiste nella colonizzazione delle superfici che entrano in contatto con il sangue attraverso cellule endoteliali.
Sono le cellule che, nel corpo umano, rivestono la superficie interna dei vasi sanguigni.
Il loro impiego è interessante perché il sangue non entrerebbe più direttamente in contatto soltanto con un polimero artificiale, ma con uno strato cellulare più vicino alla superficie naturale di un vaso.
La strategia riguarda non solo la membrana di scambio gassoso, ma, nella visione complessiva della biohybrid lung, anche altre componenti che possono entrare in contatto con il sangue.
Il gruppo studia inoltre differenti fonti cellulari. Ottenere dal singolo paziente il numero di cellule necessario per rivestire superfici estese non è semplice; per questo vengono investigate anche cellule endoteliali alternative e geneticamente modificate, progettate per ridurre il rischio di riconoscimento immunitario.
È un aspetto fondamentale perché un eventuale polmone bioibrido impiantabile non dovrà limitarsi a scambiare ossigeno e anidride carbonica: dovrà continuare a farlo senza provocare una risposta incompatibile con un funzionamento di lunga durata.
Dal progetto 3DLung alla biohybrid lung
La ricerca non nasce come esperimento isolato.
La professoressa Bettina Wiegmann e i gruppi coinvolti lavorano sul concetto di polmone bioibrido da molti anni. Dal 2017 queste attività sono inserite anche nel programma della Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) dedicato allo sviluppo di un polmone impiantabile.
Uno dei progetti, denominato 3DLung – Implantierbare künstliche Lunge auf Basis von dreidimensionalen Membranen, è stato sviluppato nell’ambito del programma prioritario SPP 2014 “Towards an Implantable Lung”.
Il progetto riunisce competenze mediche e ingegneristiche della Medizinische Hochschule Hannover, della RWTH Aachen University e dei centri di ricerca collegati.
L’approccio comprende progettazione delle membrane, simulazione computazionale, studio della fluidodinamica, sviluppo dei materiali, fabbricazione additiva, valutazione della compatibilità biologica e analisi di prototipi attraverso sistemi sperimentali.
Il programma della DFG descrive inoltre una progressione che passa da test in vitro ed ex vivo fino a modelli in vivo, necessaria prima di poter pensare a un impiego umano.
L’88% in più di trasferimento di ossigeno va interpretato correttamente
Il dato più evidente del nuovo studio è l’incremento fino all’88% del trasferimento di ossigeno rispetto alle membrane a fibre cave prese come riferimento.
Non significa però che un sistema ECMO equipaggiato con questa membrana ossigenerebbe automaticamente un paziente dell’88% in più.
La prestazione complessiva di un ossigenatore dipende da numerosi parametri: superficie disponibile, spessore della membrana, permeabilità del materiale, portata sanguigna, concentrazione iniziale dei gas nel sangue, portata e composizione del gas di sweep, distribuzione del flusso e condizioni operative.
Il risultato indica invece che, nelle condizioni sperimentali utilizzate dai ricercatori, l’architettura TPMS ottimizzata è stata capace di trasferire una quantità sensibilmente maggiore di ossigeno rispetto alla tecnologia di riferimento.
Da qui deriva una delle conseguenze ingegneristiche più interessanti: se la stessa capacità di scambio può essere ottenuta utilizzando una superficie organizzata in modo più efficiente, il volume dell’ossigenatore potrebbe essere ridotto.
Per un sistema extracorporeo questo significherebbe dispositivi più compatti. Per un futuro impianto interno al corpo, la riduzione delle dimensioni è invece una condizione necessaria.
Prima possibile applicazione: ossigenatori ECMO più compatti
Il percorso verso un polmone bioibrido completamente impiantabile rimane complesso.
La nuova architettura potrebbe però trovare applicazione prima di raggiungere quell’obiettivo.
Una possibile evoluzione consiste nel sostituire le tradizionali membrane a fibre cave negli ossigenatori ECMO con membrane TPMS stampate in 3D.
Un dispositivo del genere potrebbe sfruttare la maggiore efficienza di scambio e una distribuzione del sangue progettata digitalmente, senza richiedere immediatamente tutte le tecnologie necessarie per costruire un organo artificiale impiantabile.
La stessa ricerca della Medizinische Hochschule Hannover sottolinea questa doppia prospettiva: da un lato migliorare i sistemi di assistenza extracorporea esistenti, dall’altro utilizzare gli stessi principi come base tecnologica per una futura biohybrid lung.
Un polmone artificiale non è ancora pronto per l’impianto
La distinzione tra prototipo sperimentale e dispositivo clinico è essenziale.
Il lavoro dimostra che una geometria di membrana completamente differente dalle tradizionali fibre cave può aumentare in misura rilevante il trasferimento di ossigeno e può essere realizzata attraverso tecnologie additive.
Restano però da risolvere questioni che riguardano la stabilità a lungo termine, la risposta del sangue, l’endotelizzazione delle superfici, la durata delle cellule, la resistenza meccanica, il controllo dei flussi, la sterilizzazione, la produzione ripetibile dei dispositivi e la validazione biologica.
Un impianto destinato a sostituire permanentemente la funzione polmonare pone inoltre requisiti molto più severi rispetto a un ossigenatore extracorporeo utilizzato in ambiente ospedaliero.
L’interesse della ricerca condotta dalla Medizinische Hochschule Hannover, dalla RWTH Aachen University e dal NIFE sta quindi soprattutto nel fatto che affronta contemporaneamente tre dei problemi centrali della respirazione artificiale di lunga durata: efficienza dello scambio gassoso, fluidodinamica del sangue ed emocompatibilità delle superfici.
La fabbricazione additiva consente di intervenire sulla prima e sulla seconda attraverso geometrie che le tecniche tradizionali difficilmente permetterebbero di costruire. La colonizzazione delle membrane con cellule endoteliali prova invece ad affrontare il terzo problema trasformando gradualmente un dispositivo meccanico in un sistema bioibrido.
Il passaggio dalle fibre cave alle membrane TPMS potrebbe quindi avere valore anche prima della realizzazione di un polmone artificiale impiantabile: ossigenatori più piccoli, progettati con maggiore controllo del flusso e con una superficie di scambio più efficiente rappresenterebbero già un cambiamento significativo nell’ingegneria dei sistemi ECMO.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
