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As fibras pulmonares artificiais, também conhecidas como membranas de fibras ocas, são materiais essenciais para a fabricação de dispositivos de oxigenação por membrana extracorpórea (ECMO) que fornecem suporte respiratório a pacientes gravemente enfermos. Várias camadas dessas fibras formam um feixe denso que serve como unidade de troca gasosa. A superfície da fibra polimérica, no entanto, ativa a cascata de coagulação do sangue - levando à formação de coágulos (trombose). A trombose em superfícies artificiais é impulsionada principalmente pela ativação da cascata de coagulação, uma série complexa de reações enzimáticas que levam à formação de um coágulo sanguíneo. Quando o sangue entra em contato com materiais estranhos, como os de dispositivos médicos (por exemplo, pulmões artificiais, stents, cateteres), a cascata de coagulação é desencadeada 1,2. Esse processo começa com a exposição do sangue às superfícies do material artificial, que ativa o caminho intrínseco da cascata. Essa ativação leva à geração de trombina, uma enzima chave que converte o fibrinogênio em fibrina, formando a base estrutural de um coágulo. Simultaneamente, as plaquetas são ativadas e agregadas no local, reforçando ainda mais o coágulo. O resultado é a trombose, que pode obstruir o fluxo sanguíneo e levar a complicações graves, como acidente vascular cerebral ou infarto do miocárdio.
Para prevenir trombose em superfícies artificiais, anticoagulantes tradicionais, como heparina, varfarina e novos anticoagulantes orais diretos (AODs), são comumente usados 3,4. Esses medicamentos funcionam interferindo em várias etapas da cascata de coagulação. Por exemplo, a heparina aumenta a atividade da antitrombina III, um inibidor natural da trombina, enquanto a varfarina inibe a síntese de fatores de coagulação dependentes da vitamina K. No entanto, o uso de anticoagulantes apresenta vários desafios. Primeiro, eles aumentam o risco de sangramento, que pode ser fatal em certas situações. Em segundo lugar, a eficácia dos anticoagulantes pode ser variável, exigindo monitoramento regular e ajustes de dose, principalmente com varfarina. Além disso, o uso prolongado de anticoagulantes está associado a efeitos adversos, como osteoporose e necrose da pele. A necessidade de anticoagulação sistêmica também limita o uso de dispositivos médicos em pacientes com alto risco de sangramento.
Como a trombose pode impedir as trocas gasosas através da membrana da fibra oca, revestimentos anti-incrustantes têm sido aplicados às fibras pulmonares usando vários métodos, como revestimento por imersão e eletrofiação, para evitar a bioincrustação 5,6. Os fabricantes de pulmão artificial normalmente processam fibras ocas que são obtidas comercialmente de fabricantes de fibras e as montam nos pulmões por meio de etapas, incluindo agrupamento das fibras em torno de um núcleo sólido, envasamento (colagem) das extremidades do feixe, incorporação de feixes em vasos em uma cápsula de invólucro com canais de gás e fluxo sanguíneo e limpeza pós-montagem. Embora o revestimento de fibras que não foram implantadas no pulmão possa ser mais flexível, uma modificação da superfície no estágio de pré-empacotamento será submetida a várias etapas de fabricação que exigem interações mecânicas e químicas entre o revestimento da superfície e os ambientes do processo a jusante, o que pode levar a fibras desnudadas em um dispositivo onde a alta cobertura de revestimento é essencial para limitar a trombose. Alternativamente, o revestimento pode ser aplicado ao feixe em vaso. Uma vantagem da capacidade de revestir pulmões acabados é que é uma abordagem de modificação prática e fácil para a engenharia de superfície do dispositivo de pulmão artificial e muitos outros dispositivos. Mas, em geral, o método de aplicação de revestimentos, seja por spray ou imersão, é menos crítico para a prevenção de trombose do que a eficácia do próprio revestimento. Por exemplo, fibras ocas usadas em dispositivos médicos podem ser revestidas por imersão durante a extrusão, depois tricotadas em esteiras, enroladas em feixes e incorporadas a um dispositivo pulmonar artificial acabado. Alternativamente, os revestimentos podem ser aplicados após a fabricação do dispositivo. Os fatores-chave, no entanto, são a aplicação efetiva, durabilidade e eficácia do revestimento antitrombótico5. Isso ocorre porque, na ausência de anticoagulação sistêmica, a função desses revestimentos é uma peça essencial do quebra-cabeça para prevenir a formação de coágulos, necessitando da necessidade de uma propriedade anti-incrustante altamente eficiente e duradoura para garantir a prevenção eficaz da trombose.
Apesar da aplicação de revestimentos antitrombogênicos e da administração simultânea de anticoagulantes em baixas doses até o momento, o módulo pulmonar artificial deve ser substituído somente após um período relativamente curto de uso, variando de dias a 3 semanas 7,8, devido à trombose. A eficiência de troca gasosa de suas membranas de fibras se deteriora após um tempo relativamente curto devido à incrustação por uma estrutura de coágulo sanguíneo membranoso (composta de fibrina, células únicas e aglomerados de células) que cobre grandes áreas das fibras, aumentando sua barreira de difusão gasosa9. Em geral, o tipo de revestimento e o método de aplicação 10,11,12,13,14,15,16,17,18 utilizado dependem das propriedades desejadas, como biocompatibilidade e durabilidade. Vários exemplos de revestimentos anti-incrustantes têm sido usados em fibras pulmonares artificiais. Eles incluem silicone que é amplamente utilizado devido à sua biocompatibilidade19, durabilidade e resistência à bioincrustação; poliuretano (PU) devido à sua biocompatibilidade e resistência à bioincrustação20; quitosana devido às suas propriedades biocompatíveis e antimicrobianas21,22, heparina que inativa a trombina23,8 e revestimentos hidrofílicos à base de polímeros24, incluindo poli(etilenoglicol)25,26, poli(acrilato de 2-metoxietila)27 e fosforilcolina28,29.
Os revestimentos zwitteriônicos representam uma estratégia promissora para reduzir a trombose em superfícies artificiais sem a necessidade de anticoagulação sistêmica 5,6. Esses revestimentos são compostos de moléculas com cargas positivas e negativas, que se equilibram e resultam em uma superfície altamente hidrofílica e não incrustante. A natureza zwitteriônica desses revestimentos reduz a adsorção de proteínas e a adesão plaquetária, ambas etapas críticas no início da cascata de coagulação. Ao impedir a interação inicial entre as proteínas do sangue e a superfície artificial, os revestimentos zwitteriônicos inibem efetivamente a ativação da cascata de coagulação e reduzem o risco de trombose. Essa abordagem não apenas minimiza a necessidade de anticoagulantes sistêmicos, mas também oferece uma solução mais biocompatível para o uso prolongado de dispositivos médicos.
Neste estudo, avaliamos a eficácia do primer do pulmão artificial com um revestimento de poli (metacrilato de sulfobetaine) (pSBMA) de incrustação ultrabaixa combinado com uma camada de polidopamina adesiva de superfície (pDOPA). Após a preparação do dispositivo, ele foi posicionado lado a lado a cada 10 minutos por 2 h durante o processo de revestimento. Para avaliar possíveis variações no revestimento ao longo do feixe de fibras, medimos a incrustação de fibrinogênio e plaquetas nas fibras localizadas na superfície e dentro do feixe. Além disso, analisamos o impacto do fluxo no desempenho anti-incrustante, comparando os dados de incrustação dos pulmões antes e depois da exposição ao fluxo. Para aplicações antibioincrustantes de longo prazo envolvendo fluxo de meio complexo, os revestimentos zwitteriônicos devem não apenas inibir a incrustação do sangue total - uma tarefa desafiadora - mas também manter sua eficácia sob estresse hemodinâmico durante todo o período de aplicação. Esses revestimentos precisam fornecer forte repulsão estérica contra a adsorção de proteínas não específicas e atingir uma densidade de empacotamento de superfície adequada para formar uma barreira de filme de hidratação entre o substrato e o meio complexo. Além disso, eles devem permanecer firmemente presos à superfície sem o desprendimento dos ligantes que ancoram o revestimento ao substrato30. O protocolo descrito aqui foi projetado para garantir a aplicação de revestimentos que atendam a esses requisitos críticos para proteção de superfície eficaz e durável.