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Las fibras pulmonares artificiales, también conocidas como membranas de fibra hueca, son materiales esenciales para la fabricación de dispositivos de oxigenación por membrana extracorpórea (ECMO) que brindan soporte respiratorio a pacientes críticamente enfermos. Múltiples capas de estas fibras forman un haz denso que sirve como unidad de intercambio de gases. Sin embargo, la superficie de la fibra polimérica activa la cascada de coagulación de la sangre, lo que conduce a la formación de coágulos (trombosis). La trombosis en superficies artificiales es impulsada principalmente por la activación de la cascada de coagulación, una serie compleja de reacciones enzimáticas que conducen a la formación de un coágulo de sangre. Cuando la sangre entra en contacto con materiales extraños, como los de los dispositivos médicos (por ejemplo, pulmones artificiales, stents, catéteres), se desencadena la cascada de la coagulación 1,2. Este proceso comienza con la exposición de la sangre a las superficies del material artificial, lo que activa la vía intrínseca de la cascada. Esta activación conduce a la generación de trombina, una enzima clave que convierte el fibrinógeno en fibrina, formando la base estructural de un coágulo. Simultáneamente, las plaquetas se activan y se agregan en el sitio, reforzando aún más el coágulo. El resultado es una trombosis, que puede obstruir el flujo sanguíneo y provocar complicaciones graves como un accidente cerebrovascular o un infarto de miocardio.
Para prevenir la trombosis en superficies artificiales, se utilizan comúnmente anticoagulantes tradicionales, como la heparina, la warfarina y los nuevos anticoagulantes orales directos (ACOD) 3,4. Estos medicamentos actúan interfiriendo en varios pasos de la cascada de coagulación. Por ejemplo, la heparina aumenta la actividad de la antitrombina III, un inhibidor natural de la trombina, mientras que la warfarina inhibe la síntesis de factores de coagulación dependientes de la vitamina K. Sin embargo, el uso de anticoagulantes presenta varios desafíos. En primer lugar, aumentan el riesgo de sangrado, que puede poner en peligro la vida en determinadas situaciones. En segundo lugar, la eficacia de los anticoagulantes puede ser variable, lo que requiere un seguimiento regular y ajustes de la dosis, en particular con la warfarina. Además, el uso prolongado de anticoagulantes se asocia con efectos adversos como osteoporosis y necrosis cutánea. La necesidad de anticoagulación sistémica también limita el uso de dispositivos médicos en pacientes con alto riesgo de hemorragia.
Debido a que la trombosis puede impedir el intercambio de gases a través de la membrana de fibra hueca, se han aplicado recubrimientos antiincrustantes a las fibras pulmonares utilizando varios métodos, como el recubrimiento por inmersión y el electrohilado, para prevenir la bioincrustación 5,6. Los fabricantes de pulmones artificiales suelen procesar fibras huecas que se obtienen comercialmente de los fabricantes de fibras y las ensamblan en los pulmones a través de pasos que incluyen la agrupación de las fibras alrededor de un núcleo sólido, el encapsulado (pegado) de los extremos del paquete, la incorporación de paquetes en macetas en una cápsula de carcasa con canales de gas y flujo sanguíneo, y la limpieza posterior al montaje. Si bien el recubrimiento de las fibras que no se han implantado en el pulmón puede ser más flexible, una modificación de la superficie en la etapa de preagrupación estará sujeta a varios pasos de fabricación que requieren interacciones mecánicas y químicas entre el recubrimiento de la superficie y los entornos de proceso posteriores, lo que puede conducir a fibras desnudas en un dispositivo donde una alta cobertura de recubrimiento es esencial para limitar la trombosis. Alternativamente, el recubrimiento se puede aplicar al paquete en maceta. Una ventaja de la capacidad de recubrir pulmones terminados es que es un enfoque de modificación práctico y fácil para la ingeniería de superficies, el dispositivo de pulmón artificial y muchos otros dispositivos. Pero, en general, el método de aplicación de recubrimientos, ya sea por pulverización o por inmersión, es menos crítico para la prevención de la trombosis que la eficacia del recubrimiento en sí. Por ejemplo, las fibras huecas utilizadas en los dispositivos médicos se pueden recubrir por inmersión durante la extrusión, luego tejerse en esteras, enrollarse en paquetes e incorporarse a un dispositivo de pulmón artificial terminado. Alternativamente, se pueden aplicar recubrimientos después de que se haya fabricado el dispositivo. Los factores clave, sin embargo, son la aplicación efectiva, la durabilidad y la eficacia del recubrimiento antitrombótico5. Esto se debe a que, en ausencia de anticoagulación sistémica, la función de estos recubrimientos es una pieza esencial del rompecabezas para prevenir la formación de coágulos, lo que requiere la necesidad de una propiedad antiincrustante altamente eficiente y duradera para garantizar una prevención efectiva de la trombosis.
A pesar de la aplicación de recubrimientos antitrombogénicos y la administración simultánea de anticoagulantes a dosis bajas hasta la fecha, el módulo de pulmón artificial debe reemplazarse solo después de un período relativamente corto de uso, que oscila entre días y 3 semanas 7,8, debido a la trombosis. La eficiencia de intercambio gaseoso de sus membranas de fibras se deteriora después de un tiempo relativamente corto debido al ensuciamiento por una estructura de coágulos sanguíneos membranosos (compuesta por fibrina, células individuales y grupos de células) que cubre grandes áreas de las fibras, aumentando su barrera de difusión de gas9. En general, el tipo de recubrimiento y el método de aplicación 10,11,12,13,14,15,16,17,18 utilizados dependen de las propiedades deseadas, como la biocompatibilidad y la durabilidad. Se han utilizado varios ejemplos de recubrimientos antiincrustantes en fibras de pulmón artificial. Entre ellos se encuentran la silicona, que es muy utilizada por su biocompatibilidad19, durabilidad y resistencia a la bioincrustación; poliuretano (PU) por su biocompatibilidad y resistencia al biofouling20; el quitosano por sus propiedades biocompatibles y antimicrobianas21,22, la heparina que inactiva la trombina23,8 y los recubrimientos hidrofílicos24 a base de polímeros que incluyen poli(etilenglicol)25,26, poli(2-metoxietilato)27 y fosforilcolina28,29.
Los recubrimientos zwitteriónicos representan una estrategia prometedora para reducir la trombosis en superficies artificiales sin necesidad de anticoagulación sistémica 5,6. Estos recubrimientos están compuestos por moléculas con cargas positivas y negativas, que se equilibran entre sí y dan como resultado una superficie altamente hidrófila y no incrustante. La naturaleza zwitteriónica de estos recubrimientos reduce la adsorción de proteínas y la adhesión de plaquetas, los cuales son pasos críticos en el inicio de la cascada de coagulación. Al prevenir la interacción inicial entre las proteínas sanguíneas y la superficie artificial, los recubrimientos zwitteriónicos inhiben eficazmente la activación de la cascada de coagulación y reducen el riesgo de trombosis. Este enfoque no solo minimiza la necesidad de anticoagulantes sistémicos, sino que también ofrece una solución más biocompatible para el uso a largo plazo de dispositivos médicos.
En este estudio, evaluamos la efectividad de cebar el pulmón artificial con un recubrimiento de poli(metacrilato de sulfobetaína) (pSBMA) de incrustación ultra baja combinado con una capa de polidopamina adhesiva superficial (pDOPA). Después de cebar el dispositivo, se colocó de lado a lado cada 10 minutos durante 2 h durante el proceso de recubrimiento. Para evaluar las posibles variaciones en el recubrimiento a través del haz de fibras, medimos el ensuciamiento de fibrinógeno y plaquetas en las fibras ubicadas en la superficie y dentro del haz. Además, analizamos el impacto del flujo en el rendimiento antiincrustante comparando los datos de ensuciamiento de los pulmones antes y después de la exposición al flujo. Para aplicaciones antiincrustantes a largo plazo que involucran un flujo de medios complejos, los recubrimientos zwitteriónicos no solo deben inhibir el ensuciamiento de la sangre entera, una tarea desafiante, sino también mantener su efectividad bajo estrés hemodinámico durante todo el período de aplicación. Estos recubrimientos deben proporcionar una fuerte repulsión estérica contra la adsorción de proteínas no específicas y lograr una densidad de empaquetamiento superficial adecuada para formar una barrera de película de hidratación entre el sustrato y el medio complejo. Además, deben permanecer firmemente adheridos a la superficie sin que se desprendan los enlazadores que anclan el recubrimiento al sustrato30. El protocolo descrito aquí está diseñado para garantizar la aplicación de recubrimientos que cumplan con estos requisitos críticos para una protección de superficies efectiva y duradera.