CapiLung - Eine bio-inspirierte künstliche Lunge basierend auf einem dreidimensionalen Kapillarnetzwerk

• Antragsteller: Dr.-Ing. Sebastian Jansen
• Fachliche Zuordnung: Biomedizinische Systemtechnik ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 552654183

Trotz der erwiesenen Wirksamkeit ist der Einsatz von künstlichen Lungen in extrakorporalen Kreisläufen (ECMO) zur respiratorischen Unterstützung mit einem hohen Komplikationsrisiko und Mortalitätsraten von bis zu 50 % assoziiert. Die hohe Mortalität und Komplikationsrate ist maßgeblich auf die hohe Invasivität der Therapie zurückzuführen. Der Einsatz eines Oxygenators (künstliche Lunge) bedingt eine große Fremdoberfläche in Blutkontakt zur Gewährleistung des notwendigen Gasaustauschs. Zudem wird ein großes Blutvolumen außerhalb der Körpers geführt mit dem Risiko einer Sepsis und systemischer Inflammation. Oxygenatoren in der Klinik basieren heutzutage ausschließlich auf dem Konzept von Hohlfasermembranen (HFM) mit hohen Versagensraten aufgrund von Proteinablagerungen und Thrombosebildung im Langzeiteinsatz. In der Forschung werden Alternativen zum Hohlfaserkonzept untersucht, z. B. anhand von mikrofluidischen künstlichen Lungen (MAL). Bei diesem Ansatz werden mikroskopische Strömungskanäle (~100 µm) als Nachbildung einer Kapillarstruktur für den Blutgastransport verwendet. Die zweidimensionale Kapillarstruktur der MAL verspricht physiologischere Strömungsverhältnisse und die Möglichkeit einer umfassenden Miniaturisierung, um die genannten Komplikationen zu adressieren. Aufgrund von fertigungstechnischen Einschränkungen, sind die bisher vorgeschlagenen MALs auf zweidimensionale Geometrien mit nicht optimaler Ausnutzung der Gasaustauschfläche beschränkt. Das hier beantragte Projekt befasst sich mit der Erweiterung des MAL Konzepts auf dreidimensionale Strukturen, um eine 3D bioinspirierte künstliche Lunge als Nachbildung des nativen Kapillarnetzwerks zu schaffen. Es wird im Rahmen des Projekts untersucht, ob eine solche 3D bioinspirierte künstliche Lunge dem derzeitigen Goldstandard in der Klinik (HFM-Oxygenatoren) überlegen ist. Die bioinspirierte 3D-Kapillargeometrie wird zunächst numerisch analysiert, um ein Optimum für die nachfolgende Herstellung und experimentelle Untersuchung zu finden. In Vorarbeiten konnte bereits die Machbarkeit der Herstellung einer solch filigranen Geometrie mittels hochauflösenden 3D-Druck eines auflösbaren Materials und einem Dip-Spin-Coating Verfahren gezeigt werden. Dieses Herstellungskonzept wird im Rahmen des Projekts ebenfalls untersucht. Schlussendlich werden Testexemplare der bioinspirierten künstlichen Lunge hergestellt und in-vitro mit der HFM-Referenz verglichen. Dabei werden Biokompatibilität, Gasübertragungseffizienz und hydraulische Eigenschaften untersucht, um die Hypothese einer Überlegenheit der 3D Geometrie zu prüfen und damit das Potential des innovativen Ansatzes einer 3D bioinspirierten künstlichen Lunge aufzuzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Johanna Clauser; Dr. Michael Neidlin