Wat is ECMO en hoe kan het de levensvatbaarheid van patiënten met respiratoire insufficiëntie verbeteren?

ECMO (Extracorporele Membrane Oxygenatie) is een medische technologie die wordt gebruikt om de functie van de longen en/of het hart tijdelijk over te nemen wanneer deze vitale organen falen. In gevallen van acute respiratoire insufficiëntie, zoals het Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS), wanneer de longen niet in staat zijn om voldoende zuurstof aan het bloed te leveren, wordt ECMO ingezet om de zuurstofwisseling van het lichaam te ondersteunen en zo orgaanfalen en septische shock te voorkomen. Dit proces wordt vaak uitgevoerd via een hart-longmachine, waarin het bloed wordt gepompt, zuurstof wordt toegevoegd en kooldioxide wordt verwijderd, waarna het bloed weer in het lichaam wordt teruggevoerd.

Het eerste geval van ECMO bij een pasgeborene werd in 1974 gerapporteerd door Dr. Robert Bartlett. Hij behandelde een zuigeling genaamd Esperanza, die lijdend aan ernstige circulatoire instabiliteit, een arteriële druk had van slechts 12 mm Hg. Dankzij de ECMO-behandeling herstelde de baby volledig, wat leidde tot het opzetten van meerdere succesvolle onderzoeken in neonatale zorg, met een overlevingspercentage van maar liefst 75% ondanks een verwachte sterfte van 90%. Het gebruik van ECMO voor volwassenen was toen nog zeldzaam, maar deze vroege successen op neonataal gebied legden de basis voor verdere ontwikkelingen.

In de jaren '80, met de opening van het eerste ECMO-centrum in de Verenigde Staten (University of Michigan), begon de technologie meer aandacht te krijgen. In 1989 toonde een studie in het Boston Children’s Hospital aan dat ECMO bij neonaten een overlevingspercentage van 90% opleverde, vergeleken met slechts 67% bij conventionele behandelingen. Later, in 1996, rapporteerde het Verenigd Koninkrijk een overlevingspercentage van 70% bij de toepassing van ECMO, aanzienlijk hoger dan de 41% van conventionele therapieën.

In 2009 werd ECMO opnieuw in de schijnwerpers gezet tijdens de uitbraak van de H1N1-griep, waarbij de CDC een waarschuwing uitgaf en het gebruik van ECMO bij volwassen patiënten werd getest. Een onderzoek van de Extracorporeal Life Support Organization (ELSO) liet zien dat het overlevingspercentage van ECMO-patiënten aanzienlijk hoger was wanneer de behandeling binnen zes dagen na intubatie werd gestart (72%) in plaats van na zeven dagen of langer (31%).

ECMO wordt vaak onderverdeeld in drie hoofdtypen, afhankelijk van de cannulatietechniek: veno-arterieel (VA), veno-veno (VV) en arterio-venieus (AV). Deze indelingen zijn belangrijk voor de keuze van de behandelingsmethode, afhankelijk van de toestand van de patiënt.

De werking van ECMO kan worden vergeleken met het natuurlijke proces van gasuitwisseling in de longen. In de bronchiën is de zuurstofdruk 150 mm Hg, maar wanneer het bloed door de alveoli stroomt, daalt de zuurstofdruk tot 100 mm Hg. Bij de zuurstofarme bloedvaten is de zuurstofdruk slechts 40 mm Hg, wat een natuurlijke gradiënt creëert waardoor zuurstof diffundeert van de alveoli naar het bloed. Dit proces is essentieel voor het vervullen van de vitale zuurstofbehoeften van het lichaam.

De zuurstofopname in het bloed is sterk afhankelijk van de hoeveelheid hemoglobine. Elke gram hemoglobine kan 1,34 tot 1,39 ml zuurstof dragen. Bij volledige verzadiging van hemoglobine (100%), betekent dit dat 14-16 gram hemoglobine per 100 ml bloed 18,76 tot 19,52 ml zuurstof transporteert. Dit is een cruciaal aspect om te begrijpen bij het berekenen van de zuurstofcapaciteit van het bloed en de effectiviteit van ECMO-behandeling, waarbij de zuurstofafgifte nauwkeurig moet worden beheerd om organen van voldoende zuurstof te voorzien.

Bij ECMO wordt de zuurstofverdeling in het bloed gemeten aan de hand van de zuurstofsaturatie van hemoglobine en de hoeveelheid opgelost zuurstof in het bloed. De totale hoeveelheid zuurstof in het bloed wordt berekend aan de hand van complexe formules die zowel de zuurstof die aan hemoglobine is gebonden als de opgeloste zuurstof in het bloed in overweging nemen.

Naast zuurstofverdeling is het belangrijk om de rol van de hartfunctie te begrijpen in het kader van ECMO. De cardiac output (CO), oftewel het bloedvolume dat per minuut door het hart wordt gepompt, speelt een sleutelrol in het bepalen van de hoeveelheid zuurstof die naar de weefsels wordt getransporteerd. Dit wordt verder geanalyseerd via de term ‘cardiac index’ (CI), die de hartoutput vergelijkt met de lichaamsoppervlakte van de patiënt. Dit biedt een gedetailleerd inzicht in de zuurstoflevering aan het lichaam en is essentieel voor het monitoren van de effectiviteit van de ECMO-behandeling.

Bij het gebruik van ECMO is het cruciaal om de timing en omstandigheden van de behandeling te optimaliseren. Er moet niet alleen aandacht worden besteed aan het moment van intubatie, maar ook aan de duur van de behandeling, aangezien langdurige ondersteuning vaak leidt tot verslechtering van de algehele gezondheid van de patiënt. ECMO kan echter, mits goed beheerd, de overlevingskansen van patiënten aanzienlijk verbeteren.

Wat zijn de kosten en mogelijkheden voor hergebruik van oppervlakteactieve stoffen in het MEUF-proces?

De kostenanalyse van het MEUF-systeem is complex en vereist een diepgaande kennis van zowel het systeem als het te behandelen afvalwater. De kosten van het proces hangen niet alleen af van de membranen, maar ook van het gebruik van oppervlakteactieve stoffen en de extra kosten voor het reinigen, vervangen en recyclen van membranen. Vergelijkbare waterzuiveringsinstallaties zonder MEUF kunnen water zuiveren voor minder dan 0,3 €/m3. Als we een MEUF-installatie van gelijke capaciteit veronderstellen, moeten naast de kosten voor membraanvervanging en -reiniging ook de kosten van de oppervlakteactieve stoffen (surfactanten) en de post-behandelingskosten, zoals recycling en lozing, in de kostenanalyse worden meegenomen. Het is duidelijk dat de surfactantkosten een cruciale rol spelen in de totale kostenberekening, en er is meer gedetailleerd onderzoek nodig om de werkelijke kosten van het MEUF-proces in kaart te brengen.

Om het MEUF-proces economisch en ecologisch voordeliger te maken, is het essentieel om de oppervlakteactieve stoffen (surfactanten) uit zowel de permeaat- als retentaatstroom te recupereren voordat deze uiteindelijk het milieu bereiken. De retentaatstroom van het MEUF-systeem bevat vaak een hoge concentratie van de gebruikte surfactanten en andere verontreinigingen zoals zware metalen en kleurstoffen, wat kan bijdragen aan secundaire milieuvervuiling. Het hergebruiken van de surfactanten kan niet alleen de kosten verlagen, maar ook bijdragen aan een duurzamer proces.

Een andere veelgebruikte methode is de acidificatie, waarbij zwavelzuur (H2SO4) wordt toegevoegd om de surfactant te regenereren. Dit proces heeft bewezen effectief te zijn bij het terugwinnen van tot 58,1% van de SDS uit de retentaatstroom. Bovendien wordt het hergebruik van geregenereerde SDS geassocieerd met een goede efficiëntie in het verwijderen van zware metalen, zoals cadmiumionen (Cd2+). De technologie biedt veelbelovende resultaten en kan de kosten van het MEUF-proces aanzienlijk verlagen.

Er zijn ook andere technieken voor surfactantrecuperatie, zoals schuimfractie en twee-staps chemische behandelingen, die gebruik maken van processen zoals zuurbehandeling gevolgd door ultrafiltratie of chelatie gevolgd door ultrafiltratie. In deze methoden wordt het efficiënte gebruik van gerecycleerde surfactanten, zoals SDS, bevestigd door een hogere efficiëntie in het verwijderen van zware metalen zoals zink (Zn2+) en cadmium (Cd2+). Dit toont aan dat hergebruikte surfactanten net zo effectief kunnen zijn als verse surfactanten, wat een belangrijke stap is richting duurzamer waterbeheer.

Een andere interessante methode voor surfactanthergebruik is het gebruik van een twee-staps chemische behandeling om cationische surfactanten, zoals cetylpyridiniumchloride (CPC), uit de permeaatstroom te recupereren. Door kaliumjodide (KI) toe te voegen aan de permeaatstroom, kan CPC neerslaan als cetylpyridiniumjodide (CPI). Dit wordt vervolgens omgezet in een wateroplosbaar chloride door toevoeging van kopersulfaat (CuCl2). Deze methode heeft aangetoond dat 90% van de CPC kan worden gerecycled, wat de kosten van het MEUF-proces verder kan drukken.

Naast de voordelen van het hergebruik van surfactanten, moeten de specifieke omstandigheden van de waterbehandeling en de type verontreinigingen die aanwezig zijn in de afvalstromen goed in overweging worden genomen bij het selecteren van de meest geschikte methode voor surfactantrecuperatie. Bijvoorbeeld, sommige methoden kunnen effectiever zijn bij het verwijderen van specifieke ionen, terwijl andere beter presteren voor het recupereren van specifieke soorten surfactanten.

De vooruitzichten voor het MEUF-proces zijn veelbelovend, maar de technologie staat nog in de kinderschoenen wat betreft standaardisatie en grootschalige toepassing. Hoewel het proces al bewezen heeft een hoge verwijderingsrendement van verontreinigingen te bieden, wordt het nog niet algemeen erkend als een standaardmethode voor waterbehandeling en afvalwaterbeheer. Er is meer onderzoek nodig om de kosteneffectiviteit van het proces verder te optimaliseren en om het mechanisme van surfactanthergebruik beter te begrijpen. De uitdaging ligt niet alleen in de ontwikkeling van efficiëntere technieken voor surfactantrecuperatie, maar ook in het verbeteren van de schaalbaarheid en het verlagen van de operationele kosten van het MEUF-systeem.

Hoe Hydrogels de Toekomst van Tissue Engineering en Biosensoren Vormgeven

Een ander belangrijk aspect van hydrogels is het fenomeen van zwelling, dat van invloed is op hun mechanische en chemische eigenschappen. Wanneer een hydrogel in contact komt met water of een oplosmiddel, zwelt het op door het opnemen van watermoleculen in zijn netwerkstructuur. Dit zorgt ervoor dat de hydrogel zich aanpast aan de omgevingsomstandigheden. Dit proces van zwelling kan niet alleen worden gebruikt om de functionaliteit van hydrogels in sensoren te verbeteren, maar speelt ook een cruciale rol in de biomaterialen die worden gebruikt voor weefselherstel. De zwelling veroorzaakt een convectieve beweging aan het oppervlak van de hydrogel, die het "zwellende front" wordt genoemd. Dit is een dynamisch proces dat kan worden gemodelleerd door middel van wiskundige vergelijkingen die de diffusie- en convectieve bewegingen binnen de hydrogel beschrijven. Deze wiskundige benaderingen zijn essentieel voor het begrijpen van de werking van hydrogels in verschillende toepassingen, waaronder die voor biosensoren en weefselregeneratie.

Er zijn verschillende soorten scaffolds op basis van hydrogels, elk met specifieke kenmerken en voordelen. Een van de types zijn de ruimtevullende scaffolds, die worden gebruikt om de ruimte tussen cellen te vullen en de regeneratie van weefsels te ondersteunen. Deze scaffolds kunnen worden aangepast door de verhouding van de gebruikte materialen te variëren, zoals de combinatie van dextraan en gelatine. In een studie van Pan et al. werd bijvoorbeeld een hydrogel ontwikkeld die kon worden aangepast door de verhouding van dextraan (30%) tot gelatine (70%) te wijzigen. De zwellingsratio, die de verhouding van het gezwollen hydrogelgewicht tot het droge gewicht van het hydrogel weergeeft, was het hoogst bij deze verhouding, wat een betere afgifte van bioactieve stoffen mogelijk maakt.

De sleutel tot het succes van hydrogels in biomedische toepassingen ligt in hun vermogen om de juiste chemische en fysische eigenschappen te combineren die de natuurlijke omstandigheden van het weefsel nabootsen. Het begrip van de mechanismen die ten grondslag liggen aan de zwelling, de diffusie en de biologische interacties tussen de hydrogel en cellen is essentieel voor het ontwerp van efficiënte scaffolds en biosensoren. De toekomst van hydrogels in biotechnologie is veelbelovend, met veel nieuwe ontwikkelingen die gericht zijn op het verbeteren van de prestaties van deze materialen voor medische en industriële toepassingen.

Wat zijn slimme poortmembranen en hoe beïnvloeden ze de toekomstige technologieën?

Slimme poortmembranen, die responsieve poorten binnen de poriën van membranen creëren, behoren tot de meest veelbelovende ontwikkelingen in de technologie van membraneersystemen. Onder invloed van externe fysisch-chemische prikkels, zoals pH, temperatuur, magnetische of elektrische velden, reageren deze poorten en reguleren daarmee het transmembranaire transport en permeatiegedrag. Het vermogen van deze membranen om zich aan te passen aan verschillende omgevingsomstandigheden maakt ze ideaal voor duurzame toepassingen, waarbij hun belangrijkste voordelen zijn: minimale behoefte aan additieven en chemicaliën, hoge energie-efficiëntie, verbeterde productkwaliteit en kosteneffectiviteit.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, worden er steeds meer onderzoeken uitgevoerd om strategieën te ontwikkelen voor het integreren van responsieve domeinen in de membranen. Afhankelijk van het tijdstip van opname van deze domeinen, kan de bereiding van slimme poortmembranen in twee hoofdcategorieën worden verdeeld: vóór of na de vorming van het membraan. De meest populaire methode is het toevoegen van responsieve domeinen na de vorming van het membraan, door middel van technieken zoals graften, coating of pore-vulling. Hoewel deze methoden de mechanische eigenschappen van het membraan kunnen versterken door fysieke en chemische krachten tussen de domeinen en het membraan, ontstaat er een conflict tussen responsiviteit en flux. Over het algemeen geldt: hoe meer responsieve domeinen er in het membraan worden opgenomen, hoe efficiënter de respons zal zijn, maar hoe lager de flux. Omgekeerd, als er minder domeinen worden toegevoegd, zal de flux hoger zijn, maar de responsiviteit lager.

Daarnaast is het fabriceren van slimme poortmembranen via deze methoden een tweestapsproces, wat complex en moeilijk schaalbaar is. Het proces van graften vereist bijvoorbeeld een groot aantal responsieve domeinen en het is moeilijk om dit op grote schaal efficiënt te realiseren. Om deze reden wordt er steeds meer gekeken naar éénstapsmethoden, zoals het mengen van de responsieve domeinen met de membraanmaterialen voordat het membraan zelf wordt gevormd. Deze methode heeft als groot voordeel dat de massaproductie van slimme poortmembranen mogelijk is met de huidige industriële apparatuur en technologieën.

Hoewel het mengen van de domeinen met de membraanmaterialen voordelig is voor massaproductie, zijn er ook nadelen aan verbonden. Een belangrijk nadeel van bijvoorbeeld de niet-oplosmiddel-geïnduceerde fase-scheiding is dat dit proces zeer snel verloopt. Het duurt slechts enkele seconden om het proces van solidificatie van het membraan af te ronden. Dit maakt het moeilijk om de responsieve domeinen gelijkmatig te verdelen binnen het membraan, wat kan leiden tot ongelijke poortvorming. Onjuiste poortstructuren kunnen de flux of responsiviteit van het membraan aanzienlijk beperken.

Zelfs met de belofte van eenvoudiger schaalbare processen, zoals de niet-oplosmiddel-geïnduceerde fase-scheiding, blijft het een uitdaging om een perfect functionerend membraan te produceren dat zowel hoge flux als responsiviteit biedt. Daarom zijn er alternatieve processen onderzocht, zoals de damp-geïnduceerde fase-scheiding, die het mogelijk maakt de morfologie van het membraan efficiënter te regelen. In dit proces kunnen zelfassemblerende responsieve domeinen worden gebruikt, die de sterkte en de slimme responsiviteit van het membraan behouden zonder compromissen te maken op het gebied van mechanische eigenschappen.

Slimme poortmembranen worden vaak geassocieerd met het transport van ionen, een cruciaal proces in levende organismen. Membranen kunnen bijvoorbeeld worden ontworpen om de selectieve doorgang van ionen, zoals kalium (K+), toe te staan, terwijl ze schadelijke ionen, zoals arseen (As3+), blokkeren. Dit maakt slimme poortmembranen zeer waardevol in toepassingen die nauwkeurige controle over ionentransport vereisen. Ze kunnen ook worden gebruikt als sensoren, bijvoorbeeld om de concentratie van glucose te detecteren, een cruciale functie in medische toepassingen.

Het belang van slimme poortmembranen in technologie en biotechnologie kan niet worden overschat. Ze bieden tal van voordelen, van energie-efficiëntie tot verhoogde prestaties in de waterzuivering en biotechnologische toepassingen. De voortdurende ontwikkeling van nieuwe fabricagetechnieken en materialen zal de functionaliteit en toepassingen van deze membranen verder verbeteren. De vooruitgang in de controle over de responsieve domeinen binnen de membranen zal essentieel zijn voor het overwinnen van de huidige beperkingen en voor het realiseren van de volle potentie van slimme poortmembranen in industriële toepassingen.