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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.