Evaluation of Nitric Oxide Regarding the Functionality of the Gas Exchanger of an Extracorporeal Lung Support Device

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Abstract (English)

Extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) is a method of mechanical ventilation that bypasses the patient’s lung and oxygenates the blood in an external circuit utilizing an “oxygenator”. The oxygenator investigated in this thesis was part of the so-called “Mobybox” ECMO circuit developed and manufactured by Hemovent GmbH. A significant weakness of these devices is the formation of thrombi in ...

Abstract (English)

Extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) is a method of mechanical ventilation that bypasses the patient’s lung and oxygenates the blood in an external circuit utilizing an “oxygenator”. The oxygenator investigated in this thesis was part of the so-called “Mobybox” ECMO circuit developed and manufactured by Hemovent GmbH. A significant weakness of these devices is the formation of thrombi in the oxygenator, which limits usage time. The thesis aimed to evaluate the use of nitric oxide (NO) as an additive to the oxygenator sweep gas capable of suppressing the thrombus formation. The central aspect investigated was the interaction of NO with the polymer materials of which the oxygenator was constructed. These materials included the hollow fiber membrane made of polymethylpentene (PMP), the inlet/outlet cap, and the gas cap, both made of methylmethacrylate acrylonitrile butadiene styrene (MABS), methylene diisocyanate (MDI) and trimethylolpropane (TMP) based polyurethane (PU) which constitutes the main structural components, a silicone gasket sealing the gas cap to the oxygenator body, a UV-activated adhesive containing 2-hydroxyethyl methacrylate, isobornyl acrylate, and 1-vinylhexahydro-2H-azepine-2-one, and the blood and gas hoses both manufactured from polyvinyl chloride (PVC) and plasticized with tris(2-ethylhexyl) trimellitate (TEHTM) and bis(2-ethylhexyl) terephthalate (DOTP), respectively. The interaction between NO and these materials was investigated using Fourier-transform infrared attenuated total reflectance spectroscopy (FTIR-ATR), dynamic and static contact angle measurements, zeta potential measurements, scanning electron microscopy (SEM), and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Additionally, the influence of NO on the hemolytic properties of the oxygenator was investigated using UV/Vis spectroscopy, vapor pressure osmometry, and pH measurements. The investigations with FTIR-ATR showed that the interaction between the polymer materials and NO led to the formation of nitro and nitrate ester functional groups and the adsorption of HNO3 molecules on the polymer surfaces with MABS and PU. With PVC, only nitrate ester groups and HNO3 molecules were formed. PMP, the silicone gasket, and the UV-activated adhesive remained largely unaffected by the NO treatment below concentrations of 10,000 ppm. These effects on the surface chemistry of the polymers proved to be stable and long-lasting. The XPS measurements confirmed these results and revealed that the reactions occurred exclusively on the polymer surfaces. The contact angle measurements showed that the formation of these functional groups and the adsorption of HNO3 molecules led to an increase in surface hydrophilicity for MABS and PU. PMP was again unaffected. The zeta potential measurements showed that PU likely had the highest surface concentration of HNO3 molecules as it was the only material that showed a shift in the potential curve towards a more acidic surface. The SEM images recorded of the different polymer materials showed no change in surface morphology or porosity of the samples. The investigation on the hemolytic properties of the oxygenator showed no significant influence of NO either. Overall, the results obtained throughout this thesis showed that NO had no adverse effects on the oxygenator's functionality, structural integrity, blood compatibility, or hemolytic properties despite the changes to the surface chemistry it caused with most of the polymer materials.

Translation of the abstract (German)

Extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO) ist eine Methode der mechanischen Beatmung, die die Lunge des Patienten umgeht und dessen Blut in einem externen Kreislauf mit Hilfe eines sogenannten „Oxygenators“ oxygeniert. Der Oxygenator, der in dieser Arbeit untersucht wurde, war Teil des sogenannten „Mobybox“-ECMO-Kreislauf, der von der Hemovent GmbH entwickelt und hergestellt wird. Eine große ...

Translation of the abstract (German)

Extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO) ist eine Methode der mechanischen Beatmung, die die Lunge des Patienten umgeht und dessen Blut in einem externen Kreislauf mit Hilfe eines sogenannten „Oxygenators“ oxygeniert. Der Oxygenator, der in dieser Arbeit untersucht wurde, war Teil des sogenannten „Mobybox“-ECMO-Kreislauf, der von der Hemovent GmbH entwickelt und hergestellt wird. Eine große Schwachstelle dieser Geräte ist die Formation von Thromben im Oxygenator, was die Laufzeit dieser Kreisläufe einschränkt. Das Ziel dieser Arbeit war die Evaluierung der Nutzung von Stickstoffmonoxid (NO) als Additiv zum Beatmungsgas des Oxygenators, welches die Thrombusformation unterbinden kann. Hauptsächlich untersucht wurde die Interaktion von NO mit den Polymermaterialien, aus denen der Oxygenator aufgebaut ist. Diese Materialen waren die Hohlfasermembranen, hergestellt aus Polymethylpenten (PMP), der Einlass-/Auslassdeckel und die Gaskappe hergestellt aus Methylmethacrylat-Acrylnitril-Butadien-Styrol (MABS), Polyurethan (PU) bestehend aus Methylendiisocyanat (MDI) und Trimethylolpropan (TMP) Monomeren, welches als primäre strukturelle Komponente agierte, eine Silikondichtung welche die Gaskappen abdichtete, einen UV-aktivierten Klebstoff bestehend aus 2-Hydroxyethylmethacrylat, Isobornylacrylat, and 1-Vinylhexahydro-2H-azepine-2-on und die Blut- und Gasschläusche, welche beide aus Polyvinylchlorid (PVC) hergestellt waren und jeweils den Weichmacher Tris(2-ethylhexyl)trimellitat (TEHTM) und Bis(2-ethylhexyl)terephthalat (DOTP) beinhalteten. The Interaktion von NO mit diesen Materialien wurde untersucht mit Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie mit abgeschwächter Totalreflektion (FTIR-ATR), dynamischen und statischen Kontaktwinkelmessungen, Zetapotentialmessungen, Rasterelektronen-mikroskopie (REM) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS). Zusätzlich wurde der Einfluss von NO auf die hämolytischen Eigenschaften des Oxygenator mit Hilfe von UV/Vis-Spektroskopie, Dampfdruckosmometrie und pH-Messungen untersucht. Die Untersuchungen mit FTIR-ATR zeigten, dass die Interaktion zwischen den Polymermaterialien und NO zur Formation von Nitro- und Nitratgruppen, sowie zur Adsorption von HNO3-Molekülen auf den Oberflächen der MABS- und PU-Polymere führten. Im Falle von PVC formierten sich lediglich Nitrat-Gruppen und HNO3-Moleküle an der Oberfläche. PMP, die Silikondichtung und der UV-aktivierte Klebstoff zeigten keine sichtbare Reaktion durch die NO-Behandlung bei Konzentrationen unterhalb von 10.000 ppm. Diese Einflüsse auf die Oberflächenchemie der Polymere erwiesen sich als langzeitstabil. Die XPS-Messungen bestätigten diese Resultate und zeigten, dass die Reaktionen ausschließlich an den Oberflächen der Polymere stattfanden. Die Kontaktwinkelmessungen zeigten, dass die Formation dieser funktionalen Gruppen und die Adsorption der HNO3-Moleküle im Falle von MABS und PU zu einem Anstieg der Oberflächenhydrophilie führten. PMP blieb wiederum unbeeinflusst. Die Zeta-Potentialmessungen zeigten das PU sehr wahrscheinlich die höchste Oberflächenkonzentration an HNO3-Molekülen besaß, da es das einzige Polymer war, dass eine Veränderung der Potentialkurve typisch für eine azidere Oberfläche zeigte. Die REM-Bilder der unterschiedlichen Polymere zeigten keine Veränderungen im Hinblick auf Oberflächenmorphologie und Porosität der Proben. Die Untersuchungen bezüglich der hämolytischen Eigenschaften des Oxygenators zeigten ebenfalls keinen signifikanten Einfluss von NO. Insgesamt zeigten die Ergebnisse, die im Rahmen dieser Arbeit erzeugt wurden, dass NO keine negativen Effekte auf die Funktionalität, die strukturelle Integrität, die Blutkompatibilität oder die hämolytischen Eigenschaften des Oxygenators hatte, trotz der Veränderungen der Oberflächenchemie bei den meisten Polymermaterialien.