Introdução Tipos de Oxigenadores Origem dos Oxigenadores de Membranas O Oxigenador de Kolff O Oxigenador de Clowes e Neville O Oxigenador de Bramson
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ÍNDICE GERAL
Introdução Tipos de Oxigenadores Origem dos Oxigenadores de Membranas O Oxigenador de Kolff O Oxigenador de Clowes e Neville O Oxigenador de Bramson
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As primeiras tentativas de oxigenar o sangue fora do organismo, devem-se aos fisiologistas do século XIX, em seus estudos para a perfusão de órgãos isolados de animais.
Os primeiros estudos dedicados à oxigenação artificial do sangue, com o objetivo de sustentar a vida de um organismo intacto, datam de 1937 e devem-se à John Gibbon. Em seguida à publicação das idéias e dos trabalhos de Gibbon, estimulados pela perspectiva de construir aparelhos capazes de substituir as funções cardiopulmonares, vários pesquisadores se lançaram à construção de oxigenadores. A oxigenação e a remoção de dióxido de carbono de quatro a cinco litros de sangue por minuto, para a manutenção artificial da vida em um indivíduo adulto, representava um enorme desafio a ser vencido.
Diversas maneiras de oferecer oxigênio ao sangue foram tentadas, com maior ou menor sucesso e permitiram o desenvolvimento de numeroros tipos e modelos de oxigenadores, dos quais apenas uns poucos encontraram aplicação clínica.
Gibbon descreveu a necessidade de se produzir uma fina camada de sangue, em contato com oxigênio e sugeriu que isso fosse feito usando-se a força centrífuga, a formação de bolhas de sangue ou fluindo o sangue sobre uma tela, dentre outras modalidades. Descreveu ainda, vários problemas da oxigenação pelo contato do oxigênio com o sangue, incluindo a formação de espuma, a hemólise e a produção de substâncias vasoativas.
Os estudos iniciais com membranas para as trocas gasosas mostravam a relativa ineficiência da oxigenação por aquele método, para os fluxos de sangue mais elevados. Quando se tornou patente que a circulação extracorpórea poderia ser conduzida com fluxo baixos, segundo o "princípio ázigos" popularizado pelo grupo de Lillehei, os pesquisadores voltaram a estudar as membranas, como forma de produzir uma oxigenação artificial mais fisiológica, por sua maior semelhança com a oxigenação realizada nos pulmões. Estes estudos originaram os primeiros oxigenadores de membranas.
De um modo geral, os oxigenadores podem ser classificados em três grupos distintos, conforme o modo pelo qual se faz a oxigenação do sangue:
1. Oxigenadores de películas
2. Oxigenadores de bolhas
3. Oxigenadores de membranas
Os oxigenadores de películas e de bolhas constituem um grande grupo de aparelhos, nos quais há contato direto entre o sangue e o gás; estão praticamente em desuso, exceto os oxigenadores de bolhas, ocasionalmente ainda usados em procedimentos de curta duração. Nos oxigenadores de membranas, o sangue e o gás circulam separados pela membrana, que é atravessada pelos gases nos dois sentidos.
ORIGEM DOS OXIGENADORES DE MEMBRANAS
Os primeiros estudos para a oxigenação artificial do sangue esbarravam na formação de bolhas e espuma, de difícil remoção. Alguns pesquisadores procuraram utilizar membranas permeáveis aos gases, para fazer a separação física entre o sangue e o gás. Desse modo, evitava-se a formação de bolhas e tornava-se a oxigenação artificial mais semelhante à que ocorre nos pulmões.
Em 1944, Kolff observou a arterialização do sangue ao atravessar as câmaras de celofane do seu primeiro rim artificial e iniciou uma série de estudos, visando à utilização daquele material como membrana para trocas gasosas. Barrer e van Amerongen em 1948 demonstraram que alguns elastômeros, naturais ou sintéticos, também eram permeáveis aos gases.
Outros pesquisadores demonstraram que a passagem dos gases através as membranas semi-permeáveis ocorre pelo fenômeno da difusão.
A difusão pode ser compreendida como a propriedade dos gases (suas moléculas) migrarem da região de maior concentração para a região de menor concentração, até que as concentrações se igualem. Imaginemos, por hipótese, que temos em uma casa, um quarto completamente cheio de oxigênio e o quarto ao lado, completamente cheio de dióxido de carbono. Se a parede que separa os dois quartos pudesse ser substituída por uma membrana semi-permeável, ao final de algum tempo teríamos a mesma mistura gasosa, ocupando os dois quartos. Através da membrana ocorreria o seguinte:
a. o oxigênio migraria de um quarto para o outro, até que a concentração de oxigênio fosse a mesma nos dois quartos, e
b. o dióxido de carbono migraria de um quarto para o outro, até que a sua concentração fosse a mesma nos dois quartos.
Ao final de algum tempo os dois quartos conteriam uma mistura com 50% de oxigênio e 50% de dióxido de carbono. Esse é o fenômeno da difusão. A difusão ocorre em virtude da diferença de concentração do gás entre os dois lados da membrana. A força que impulsiona o gás através da membrana é a pressão parcial. Quanto maior a diferença de pressão parcial entre os dois lados da membrana, tanto maior será a força que impulsiona o gás através dela e, portanto, tanto maior será a difusão do gás.
A difusão através as membranas verdadeiras, contudo, não é tão simples. As moléculas do gás dissolvem-se no material de que a membrana é construído, atravessam a espessura da membrana para o lado onde a concentração do gás é menor e, em seguida deixam o interior da membrana. Não há orifícios pelos quais o gás alcance o lado oposto da membrana. Essa é a essência do fenômeno da difusão nas membranas verdadeiras, conforme ocorria nos primeiros oxigenadores.
Em resumo, na difusão através as membranas semi-permeáveis, o gás é absorvido em uma face da membrana, atravessa a espessura da membrana em solução no seu material e é liberado na face oposta da membrana. Diversos materiais foram testados com relação à permeabilidade aos gases, na busca de identificar os mais adequados para uso na oxigenação artificial.
Hopf demonstrou que interpondo membranas entre o gás e o sangue, havia menor destruição de hemácias, leucócitos e plaquetas. Owens e Lee observaram menor desnaturação de gorduras e proteinas.
A espessura da camada de sangue a ser oxigenado é uma das grandes dificuldades na construção dos oxigenadores de membranas, em virtude do obstáculo adicional à passagem dos gases para o sangue, representado pela membrana. Além disso, a seleção do material da membrana é crítica. O material deve ser inócuo ao sangue; deve ser produzido em lâminas muito finas sem perda da resistência e deve ter grande permeabilidade ao oxigênio.
Embora a difusão do dióxido de carbono na membrana respiratória do pulmão seja mais rápida que a do oxigênio, as primeiras membranas utilizadas nos oxigenadores removiam o CO2 do sangue com grande dificuldade. Eram necessárias grandes superfícies de membranas (3 a 6 metros quadrados, em alguns modelos), para permitir a eficiente eliminação do gás.
O desenvolvimento dos oxigenadores de membranas foi consideravelmente mais lento e complexo que o dos demais tipos de oxigenadores. Esses projetos envolvem algumas etapas árduas, como a seleção dos materiais para a construção da membrana e sua compatibilidade com o sangue, a permeabilidade aos gases respiratórios, o desenho dos percursos do sangue e do gás entre as membranas, com mínima resistência ao fluxo de ambos e o desenvolvimento de mecanismos eficientes para distribuir o sangue em finas camadas, pelos diversos trajetos entre as membranas, além de impedir a mistura do sangue venoso ao sangue já oxigenado.
Kolff em 1955, construiu o primeiro protótipo de oxigenador de membranas à partir de lâminas de polietileno, que foi usado com sucesso, no laboratório experimental. As membranas eram enroladas em torno de um eixo central, conferindo ao oxigenador o formato de uma bobina.
Diversos outros pesquisadores, construiram modelos variados de oxigenadores de membranas, usando os materiais mais adequados à época, para as trocas gasosas, como celofane, polietileno, celulose, silicone e teflon. Clowes e Neville, foram os pioneiros do uso de oxigenador de membranas para a cirurgia cardíaca clínica e, em 1958 publicaram uma série de casos operados com o seu aparelho. As membranas eram planas, construidas de teflon, e dispostas em camadas superpostas. O oxigenador era grande, difícil de montar e apresentava vasamentos com facilidade.
Em seguida, outros oxigenadores de membranas foram colocados em uso, por Bramson, Peirce, e Landé-Edwards, cujas configurações eram semelhantes ao projeto original de Clowes e Neville.
Kolobov, em 1965 adotou uma configuração semelhante à de Kolff, para o seu oxigenador. Longas tiras de silicone eram sustentadas por um envelope com espaçadores que impediam o colabamento das membranas. O sangue flui no interior das tiras e o oxigênio circula na direção do eixo central que sustenta a bobina de membranas. Este modelo funcionava adequadamente por longos periodos de tempo e foi adotado para procedimentos de assistência ventilatória prolongada. O oxigenador de Kolobov foi continuamente aperfeiçoado; nos dias atuais é produzido e comercializado pela empresa americana Avecor. É o único oxigenador do mercado recomendado para uso prolongado.
Os oxigenadores de membranas da primeira geração ofereciam grande resistência à passagem do sangue pelo trajeto das membranas, que a simples sifonagem não podia vencer. Alguns aparelhos eram montados no lado de pressão positiva da bomba de roletes, enquanto outros requeriam uma bomba adicional para circular o sangue no compartimento das membranas. Em função das dificuldades com as trocas gasosas e em virtude da complexidade de construção e uso, a primeira geração de oxigenadores de membranas não adquiriu muita popularidade. O desenvolvimento da tecnologia para a produção de membranas expandidas e capilares, favoreceu o surgimento da geração atual daqueles oxigenadores.
Kolff e Berk observaram que o sangue ao circular pelo interior dos condutos de celofane do rim artificial tornava-se vermelho vivo, demonstrando que o celofane era permeável ao oxigênio do ar ambiente. Kolff idealizou o primeiro oxigenador de membranas à partir dessa observação.
Seu oxigenador consistia de dois longos tubos ou "tiras" de celofane com 5cm de largura, cuja parede tinha a espessura de 0,025mm. Os tubos de celofane eram envolvidos por duas camadas de plástico (fiberglass) apoiadas em blocos que limitavam a expansão da tira de celofane quando o sangue corria em seu interior. Além disso, o "envelope" de "fiberglass" atuava como isolante térmico, reduzindo a perda de calor.
O OXIGENADOR DE CLOWES E NEVILLE
O oxigenador idealizado por Clowes e Neville utilizava placas de membranas paralelas empilhadas umas sobre as outras, com suportes especiais que delimitavam a distância entre as membranas. Constituiram um sistema de multi-camadas de membranas até obter a capacidade de oxigenação suficiente para a perfusão de um indivíduo adulto. As membranas do oxigenador de Clowes-Neville inicialmente eram de etil-celulose; posteriormente, para uso clínico, a membrana passou a ser de téflon, bem mais resistente. O percurso para o oxigênio era delimitado por sulcos existentes nas camadas que separavam as membranas umas das outras. As bordas das membranas recebiam um reforço de borracha para impedir "leaks" entre as diversas camadas. A área total de membrana era de 6m2.
O oxigenador de Clowes-Neville serviu de modelo para a construção de numerosos outros tipos e modelos de oxigenadores de membranas de primeira geração, alguns dos quais chegaram a ser usados, na clínica, sem muita popularidade.
O impulso inicial para a construção dos oxigenadores de membranas foi puramente intuitivo, buscando-se mimetizar a estrutura de trocas gasosas existentes no pulmão humano, sem contato direto entre o sangue e o gás. Logo em seguida, algumas estudos demonstraram menor trauma aos elementos figurados e ao plasma do sangue. O outro grande estímulo para o desenvolvimento dos oxigenadores de membrana foi a necessidade de oferecer ventilação extracorpórea prolongada aos pacientes com insuficiência respiratória aguda reversível.
Bramson após longas pesquisas e estudos experimentais, construiu um oxigenador de membranas de silicone sustentadas por uma fina retícula de fiberglass. A espessura da malha de fiberglass era de 0,0508mm e a espessura final da membrana com o reforço era de 0,127mm. A capacidade de difusão de oxigênio dessa membrana era de 150ml/m2 por minuto, sob pressão de 1 atmosfera; a capacidade de difusão do dióxido de carbono, nas mesmas condições era de 780ml/m2.
O oxigenador consistia de 15 lâminas circulares de membranas, com um diâmetro de 61cm. A altura total das membranas era de 15,24cm; a área de membranas disponível era de 6m2, à semelhança do oxigenador de Clowes e Neville. Cada uma daquelas membranas constituia uma verdadeira célula, com um intrincado design hidráulico, para a circulação do sangue e do gás.
O oxigenador de Bramson permitia um fluxo máximo de sangue de 4,25l/min. O priming do compartimento das membranas era de 1.100ml e o aparelho dispensava a recirculação do sangue no seu interior, devido à boa qualidade da oxigenação.
A experiência clínica com o oxigenador de Bramson foi boa. O aparelho produzia pO2 da ordem de 157mmHg; a eliminação do CO2 era igualmente satisfatória. A hemoglobina livre do plasma não ultrapassava os 40mg% por hora de perfusão, demonstrando reduzido trauma para os padrões vigentes no início dos anos setenta.
Apesar da performance adequada do aparelho, estes oxigenadores eram complexos, muito difíceis de montar e operar. O surgimento dos oxigenadores de bolhas descartáveis fez desaparecer, quase por completo, aquela primeira geração de oxigenadores de membranas.