3D-gedruckte Lunge zur Behandlung von COPD

Der biomedizinische Ingenieur Dr. Joseph Potkay arbeitet an der Entwicklung einer 3D-gedruckten, künstlichen Lunge zur leichteren Behandlung von chronisch-obstruktiver Lungenerkrankung (COPD). Vorwiegend soll diese künstliche Lunge den CO2-Gehalt regulieren.

Derzeit zählt die chronisch-obstruktive Lungenerkrankung (COPD) zu einer der häufigsten und auch teuersten Krankheiten unter US-Veteranen. Knapp 16% aller US-Veteranen sind von dieser Krankheit betroffen. Neben den unschönen Auswirkungen sind auch die Behandlungskosten für diese Krankheit oft sehr hoch.

Dieses Problem sahen nun auch Wissenschaftler des VA Ann Arbor Gesundheitssystems in Michigan. Nun arbeiten die Forscher an der Entwicklung einer 3D-gedruckten, künstlichen Lunge zur besseren sowie teils kostengünstigeren Behandlung von Lungenkrankheiten. Angaben des Amtes für Forschung und Entwicklung der VA verraten, dass Betroffene an vergrößerten und beschädigten Lungenbläschen sowie auch unter chronischer Bronchitis leiden.

Vorwiegend richtet sich dieses Projekt, unter der Leitung von Biomediziner und Ingenieur Dr. Joseph Potkay, an Patienten mit erhöhtem CO2-Anstieg im Blut. Wenn ein zu hoher CO2-Gehalt festgestellt wird, muss überschüssiges CO2 aus den Lungen entfernt werden, um einen plötzlichen Herztod zu vermeiden.

Bereits im Jahr 2011 präsentierte Dr. Potkay einen 2D-Prototypen einer künstlichen Lunge. Diese wurde unter traditionellen Methoden der Mikrofabrikation hergestellt, wobei der Forscher Unterstützung der Case Western Reserve University und des Advanced Platform Technology Centers im Louis Stokes Cleveland VA Medical Center erhielt. Ebenso wie der im Jahr 2011 entwickelte Prototyp bietet auch die nun 3D-gedruckte, künstliche Lunge die Effizienz, Luft anstelle von reinem Sauerstoff als Ventilationsgas zu verwenden.

Der Forscher kommentiert, dass die neue, 3D-gedruckte Lunge “ die gleichen grundlegenden Vorteile [wie der frühere Prototyp] bietet”. Weiters fügte er hinzu:”Aber mit der Freiheit, die sich aus der Möglichkeit ergibt, das Gerät in drei statt in zwei Dimensionen zu konstruieren, sollte der 3D-Druck zu künstlichen Lungen mit einem kleineren Gesamtfußabdruck und mit erhöhter Effizienz führen. Somit werden die Portabilität und Leistung möglicherweise durch den 3D-Druck verbessert.”

Um den Prototypen zu erstellen kooperierten Dr. Potkay und sein Team mit der 3D-Druckfirma Old World Labs. Das Resultat dieser Zusammenarbeit war ein Prototyp einer künstlichen, etwa 0,5 Zoll großen Lunge. Zwar kann diese 3D-gedruckte Lunge knapp eine Woche in Betrieb genommen werden, jedoch arbeitet das Forscherteam bereits an einer langlebigeren, tragbaren Version.

Das Ziel der Forschungen ist die Entwicklung der ersten tragbaren, künstlichen Lunge, welche mit lebendem Gewebe kompatibel ist. Weiters soll die finale Version auch langfristige Atmungsunterstützung bieten. Dr. Potkay betont, dass bei diesem Vorhaben erstmals Polymer-3D-Druck zur Herstellung mikrofluidischer Lungen mit 3D-Blutflussnetzen eingesetzt wurde.

“Mit einem 2D-Design stapeln Sie viele einzelne 2D-Ebenen zusammen. Das hat die Leichtigkeit der Schaffung von Geräten, die groß genug für den menschlichen Gebrauch sind, eingeschränkt. Sie haben weniger Freiheit bei der Gestaltung der Blutkanäle”, erklärte Dr. Potkay. “[Der] 3D-Druck dieser Geräte kann eine Lösung für diese Probleme sein. Wir können viel genauer und effizienter sein, wie der Blutflussweg in drei Dimensionen ausgelegt wird.”

Weiters fügte er hinzu:

“Wir hoffen, dass diese mikrofluidischen Fließwege und biokompatiblen Beschichtungen besser mit lebendem Gewebe kompatibel sind, wodurch die Immunantwort des Körpers reduziert und die Lebensdauer des Geräts erhöht wird. Die Flexibilität beim 3D-Druck bietet uns mehr Freiheit und somit die Möglichkeit, künstliche Lungen mit einer geringen Größe und Druckabfällen zu bauen, die mit dem natürlichen Druck des Körpers kompatibel sind.”

Die Forscher möchten auch künftig weiterarbeiten, um ihr finales Ziel einer langlebigen, künstlichen Lunge zu erreichen. Erste Tests zeigten bisher positive Ergebnisse.