Künstliche Lunge 3D-Membran bringt in Simulation 88 Prozent mehr Sauerstofftransfer

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RWTH Aachen

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Eine neuartige Membranarchitektur könnte den Gasaustausch in EMCO-Oxygenatoren verbessern. In Simulationen übertraf eine optimierte TPMS-Struktur im Sauerstofftransfer herkömmliche Hohlfasermembranen um 87,8 %. Bis zum klinischen Einsatz sind jedoch noch zentrale Fragen in puncto Fertigung und Skalierung offen.

Wenn die Lunge eines Patienten nicht mehr genügend Sauerstoff ins Blut bringt oder Kohlendioxid nicht ausreichend aus dem Körper abgeführt wird, kann eine sogenannte extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO) vorübergehend einen Teil dieser Aufgaben übernehmen. Das Blut wird dabei über Kanülen aus dem Körper geleitet, von einer Pumpe durch ein externes Schlauchsystem befördert und anschließend wieder in den Blutkreislauf zurückgeführt.

Moderne ECMO-Systeme stehen meist neben dem Intensivbett, kompakte Geräte lassen sich zusammen mit dem Patienten transportieren. Herzstück des künstlichen Blutkreislaufs ist der Oxygenator. Hierbei handelt es sich um ein relativ kleines Modul, das in seinem Innern jedoch über eine große Gasaustauschfläche verfügt. Bei einem Oxygenator für Erwachsene können das mehr als 1,8 Quadratmeter Membran sein, die bislang in Bündeln aus Tausenden Hohlfasern untergebracht sind. Blut strömt von außen an den Fasern vorbei, während in ihrem Innern ein sauerstoffreiches Gas geführt wird: Sauerstoff diffundiert durch die Membran ins Blut, Kohlendioxid in Gegenrichtung in den Gasstrom. Engstellen zwischen dicht gepackten Fasern können allerdings ungleichmäßige Strömungsfelder und Bereiche erzeugen, in denen das Blut nahezu stillsteht. Dieser Umstand kann Gerinnungsprozesse begünstigen.

Von der Eisernen Lunge zur ECMO

Was sich hinter der Bezeichnung „künstliche Lunge“ verbirgt, hat sich in den letzten Jahrzehnten technisch grundlegend gewandelt. Die historische „Eiserne Lunge“ etwa ersetzte nicht den Gasaustausch, sondern unterstützte die Atemmechanik: Der Patient lag bis auf den Kopf mit seinem ganzen Körper in einer luftdichten Kammer. Sank der Druck in der Kammer, dehnten sich Thorax und Lunge aus, und über Mund und Nase strömte Luft in die Lunge. Ließ der Unterdruck nach, erfolgte die Ausatmung überwiegend durch den elastischen Rückstoß von Lunge und Brustkorb. Sauerstoffaufnahme und Kohlendioxidabgabe indes blieben Aufgaben der (natürlichen) Lunge.

Die ECMO setzt dagegen unmittelbar am Gasaustausch an. Blut wird außerhalb des Körpers durch einen Oxygenator geführt, mit Sauerstoff angereichert, von Kohlendioxid befreit und wieder zurückgeführt. Bei der veno-venösen Variante (VV-ECMO) gelangt es in die Vene zurück; sie stützt allein die Lungenfunktion. Die veno-arterielle (VA-ECMO) gibt das Blut dagegen unter Druck in den arteriellen Kreislauf zurück und entlastet so zusätzlich das Herz.

Eine Fläche, zwei Kanalsysteme

Genau diese Membran im Oxygenator wollten Forschende der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH), der RWTH Aachen sowie aus Darmstadt und Twente neugestalten. Statt vieler einzelner Hohlfasern untersuchten sie eine Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) – eine mathematisch definierte Fläche, die sich in allen drei Raumrichtungen unendlich oft wiederholt und an jedem Punkt eine mittlere Krümmung von null besitzt, wie eine Seifenblase, die sich in einen Drahtbügel spannt. Diese Minimalfläche teilt den Raum in zwei ineinander verschlungene, aber vollständig getrennte Kanalsysteme. Blut- und Gasseite können so über eine große Fläche eng nebeneinander geführt werden, ohne sich zu vermischen.

Für die in „Advanced Materials“ veröffentlichte Studie modellierten die Forschenden sogenannte Schwarz-Diamond-Strukturen – eine der bekanntesten TPMS-Familien – mit Zellgrößen von 1 und 4 Millimeter (mm) sowie Wandstärken von 10, 100 und 400 Mikrometer (µm). In CFD-Simulationen – computergestützten Berechnungen der Strömungsverhältnisse – untersuchte die Forschenden, wie gleichmäßig das Blut durch die verschiedenen Membrangeometrien fließt. Der Anteil sank der Anteil der Stagnationszonen mit Strömungsgeschwindigkeiten unter 1 mm/s sank gegenüber einer Hohlfaserreferenz um bis zu 56 %.

87,8 % mehr Sauerstofftransfer

Am besten schnitt die Variante mit 1-mm-Zellen und 10 µm Wandstärke ab. Ihr flächenspezifischer Sauerstofftransfer lag im Mittel 87,8 % über dem des Hohlfaserbündels. In der Unsicherheitsanalyse reichte der berechnete Vorteil von 69,3 bis 90,2 %. Für denselben Sauerstoffeintrag wären rechnerisch rund 44 % weniger Membranfläche erforderlich. Beim Kohlendioxidtransfer blieb der mittlere Vorteil mit 3,4 % gering.

Die leistungsfähigste Variante existiert bislang allerdings nur im Modell. Mit Methylacrylat-funktionalisiertem Polydimethylsiloxan (xPDMS) konnten die Forschenden per Digital Light Processing reproduzierbar dichte Membranen mit etwa 100 µm Wandstärke herstellen. Auf Fibronektin-beschichtetem xPDMS bildeten Endothelzellen eine geschlossene Zellschicht. Auch dreidimensional gekrümmte Gyroid-Strukturen – regelmäßig aufgebaute TPMS-Gerüste mit durchgängigen, verzweigten Kanälen – ließen sich mit Endothelzellen besiedeln, allerdings mit 1 mm starken Wänden und damit nicht in der simulierten Gasaustauschgeometrie.

Noch kein klinischer Oxygenator

Die 88 Prozent sind daher keine gemessene Leistung eines fertigen ECMO-Oxygenators. Die Gastransfersimulationen liefen mit Blutflüssen von etwa 60 bis 140 ml/min und damit in einer Größenordnung für Kleintiermodelle. Klinische Systeme für Erwachsene müssen dagegen mehrere Liter Blut pro Minute verarbeiten. Zugleich müssen additive Fertigungsverfahren sehr dünne, flüssigkeitsdichte Membranen über wesentlich größere Bauteile zuverlässig herstellen können. Ob sich der Architekturvorteil in die klinisch relevante Dimension übersetzen lässt, muss sich erst zeigen.

Referenz

[1] Pflaum M, Barbian KP, Neuhaus F et al. From Fiber Bundles to Architected Membranes: Triply Periodic Minimal Surface Architectures for Biohybrid Artificial Lungs. Adv Mater 2026;0:e74361, doi:10.1002/adma.74361. 
[2] Medizinische Hochschule Hannover. 3D-Membran aus dem Drucker ebnet den Weg zur Biohybridlunge [Internet]. Hannover: Medizinische Hochschule Hannover; 18.08.2026 [zitiert am 24.08.2026].