Introdução Tipos de Oxigenadores de Membranas Princípios Funcionais dos Oxigenadores de Membranas Princípios das Trocas Gasosas Membranas Verdadeiras e Microporosas
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ÍNDICE GERAL
Introdução Tipos de Oxigenadores de Membranas Princípios Funcionais dos Oxigenadores de Membranas Princípios das Trocas Gasosas Membranas Verdadeiras e Microporosas
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Nos oxigenadores de membranas, as trocas gasosas ocorrem por difusão dos gases respiratórios, oxigênio e dióxido de carbono, através de uma membrana permeável aos gases, situada entre os fluxos de sangue e de gás do oxigenador. Não há contato direto entre o sangue e o gás.
A adequada transferência de gases através da membrana depende do tipo, da espessura e da porosidade do material da membrana. A transferência de oxigênio também é influenciada pela espessura da lâmina de sangue em contato com a membrana e pelas características do fluxo de sangue no interior do oxigenador; a adequada transferência de dióxido de carbono depende da permeabilidade da membrana.
Ao contrário dos oxigenadores de bolhas, os oxigenadores de membranas permitem o controle independente da transferência de oxigênio e de dióxido de carbono, pelo uso de um misturador de gases (ar e oxigênio). A transferência de oxigênio é controlada pela percentagem de oxigênio no gás instilado no oxigenador. Quanto maior a fração de oxigênio no gás (FiO2), tanto maior será a transferência de oxigênio para o sangue. A transferência do CO2 é controlada pelas variações do fluxo do gás que ventila o oxigenador. Quanto maior o fluxo de gás, tanto maior será a remoção de CO2 do sangue.
O primeiro oxigenador de membrana re-utilizável surgiu em 1956, baseado em princípios de trocas de gases observados nos hemodializadores em uso na época. Os primeiros oxigenadores de membranas descartáveis surgiram nos anos sessenta. Eram complicados para montar e operar; requeriam uma bomba adicional, para recircular o sangue no oxigenador, com a finalidade de melhorar a oxigenação. Essa geração de oxigenadores, conforme já assinalado, não desfrutou de muita popularidade.
TIPOS DE OXIGENADORES DE MEMBRANAS
Os oxigenadores de membranas em uso corrente utilizam membranas de polipropileno microporoso ou silicone. Os demais materiais, como o teflon, polietileno e outros, foram abandonados. Os oxigenadores de membrana podem ser agrupados em 3 (três) tipos principais:
1. Oxigenadores de placas - O material da membrana é dobrado em Z como o fole de uma sanfona. Sangue e gás fluem em lados opostos da membrana. Estas membranas são de polipropileno espandido; são portanto, membranas microporosas. Os principais exemplos são: Cobe Excel, Cobe VPCML, Shiley M-2000.
2. Oxigenadores em espiral - O material da membrana é enrolado em torno de um eixo central, como em um novelo, ligeiramente espiralado. Existe um único representante desse tipo de oxigenadores, produzido pela empresa Avecor. É derivado do antigo modelo de oxigenador de Kolobov.
3. Oxigenadores de Fibras Ocas - O material da membrana é constituído de finos capilares que são dispostos em feixes paralelos ou em novelos. São os oxigenadores mais usados, na atualidade. As fibras ocas, fibras capilares ou membranas capilares são produzidas de polipropileno microporoso.
Os oxigenadores de fibras ocas ou membranas capilares compreendem dois sub-grupos, conforme o tipo de circulação do sangue em relação à fibra capilar:
O sangue venoso do paciente pode ser recolhido em um reservatório flácido, colapsável, do tipo de uma bolsa plástica. Nessas circunstâncias o circuito resultante é dito "fechado". Estes reservatórios frequentemente requerem a adição do reservatório de cardiotomia para completar o circuito da perfusão. Os modelos mais antigos de oxigenadores usavam o reservatório flácido.
Mais modernamente o sangue venoso é recolhido em um reservatório rígido; este reservatório é construído para assumir a dupla função, de reservatório venoso e reservatório de cardiotomia. Muitos desses reservatórios incorporam um trocador de calor. Nessas circunstâncias o circuito resultante é dito "aberto" e tem bastante semelhança com o tradicional circuito dos oxigenadores de bolhas. Esta configuração desfruta da preferência da maioria das equipes cirúrgicas e de perfusão.
Frequentemente os aparelhos do mercado oferecem as duas opções: um reservatório rígido ou colapsável, para escolha das equipes. A última geração de aparelhos foi construida com o reservatório rígido acoplado ao módulo das membranas e o permutador de calor, em uma peça única. Estes aparelhos são denominados "integrados".
Em todos os casos, o sangue é recolhido do paciente no reservatório venoso; desse reservatório (flácido ou rígido) o sangue vai à bomba arterial, que o impulsiona através o compartimento das membranas do oxigenador. Após realizada a troca de gases, o sangue segue pela linha arterial, para o sistema arterial do paciente.
PRINCÍPIOS FUNCIONAIS DOS OXIGENADORES DE MEMBRANAS
A construção dos oxigenadores é governada pela necessidade de maximizar a captação de oxigênio e a eliminação do dióxido de carbono à um determinado fluxo de sangue para facilitar o controle da transferência de gases. Além disso, as trocas térmicas devem ser otimizadas na menor superfície possível, enquanto o trauma imposto aos elementos do sangue deve ser mínimo ou negligível. O priming necessário à operação do aparelho também deve ser pequeno, afim de permitir o seu uso com soluções acelulares, evitando a hemodiluição excessiva e as transfusões desnecessárias de sangue ou seus derivados. Os oxigenadores de membrana em uso no presente atendem à esse conjunto de pré-requisitos.
O oxigenador de membrana típico do final dos anos noventa é de fibras capilares em que o gás circula no interior das fibras; tem um reservatório rígido de dupla função acoplado ao seu corpo, que contém um permutador de calor. A única variação de alguns modelos é a manutenção do permutador de calor junto ao compartimento das membranas.
Independente do tipo de aparelho, a transferência de gases para o sangue ou para o gás que ventila o oxigenador é governada pela difusão, conforme a pressão parcial do gás considerado. A transferência do gás é limitada pela resistência à difusão do gás em particular através a substância em que o gás se difunde, seja ela a membrana sintética, o sangue ou a própria mistura gasosa. Outros fatores importantes são as dimensões da membrana do oxigenador e a forma pela qual os fluxos do sangue e do gás afetam as forças que favorecem ou que dificultam as trocas gasosas.
Em uma mistura de gases ocupando um determinado volume, cada gás se comporta como se ocupasse sozinho todo o volume da mistura, independente dos demais gases. Este, em essência, constitui o enunciado da lei de Dalton que rege o comportamento dos gases. A soma da pressão parcial de cada gás de uma mistura gasosa corresponde à pressão total exercida pela mistura. Estas regras aplicam-se aos gases ocupando um espaço ou mesmo em solução, como é o caso dos gases dissolvidos no sangue. Assim, quando o sangue está em equilíbrio com a pressão atmosférica, a soma das pressões parciais dos gases dissolvidos no sangue será de 760mmHg, ao nível do mar. Em uma fase gasosa, a pressão parcial, a concentração e a fração de moléculas são grandezas equivalentes.
Os gases do sangue, oxigênio e dióxido de carbono, não se comportam linearmente, como seria de esperar. Isso se deve à não linearidade da dissociação da oxi-hemoglobina. Este fenômeno é representado por uma curva sinusoidal. Do mesmo modo, o CO2 é combinado à diversas substâncias do plasma e da hemácia para formar bicarbonato. Tudo isso contribui para que oxigênio e dióxido de carbono ocorram em concentrações maiores do que seria esperado pela simples dissolução física. Isto faz com que a análise da transferência de gases nos oxigenadores seja mais complexa.
A difusão de gases através de líquidos ou sólidos é melhor apreciada a nível molecular. As moléculas do gás movem-se das áreas de menor concentração para as áreas de maior concentração, buscando sempre o equilíbrio. O princípio de Fick demonstra que a velocidade da difusão de um gás é função direta da diferença de pressão parcial desse gás na direção da difusão. Este fato mostra que a velocidade da difusão pode ser aumentada pelo aumento da pressão parcial do gás. A velocidade da difusão também pode ser aumentada se diminuirmos a distância a ser percorrida pelo gás (no caso dos oxigenadores a espessura da membrana).
A difusibilidade, ou a capacidade de um gás difundir-se, é constante para cada gás, para cada material a ser atravessado e para cada temperatura.A teoria cinética dos gases demonstra que a difusão depende da velocidade do movimento das moléculas do gás e, de acordo com a lei de Graham, é inversamente proporcinal à raiz quadrada do peso molecular do gás. Assim, quanto menor o peso molecular do gás, tanto maior é a sua difusibilidade.
A difusibilidade dos gases tem relação com a sua solubilidade. Os gases de maior solubilidade também difundem com mais facilidade.
A difusão e a transferência de gases nos oxigenadores de membranas são mais complexas do que as leis dos gases demonstram porque há diversas barreiras a vencer. O oxigênio deve atravessar a membrana dos oxigenadores, dissolver-se no plasma do sangue, atravessar a membrana das hemácias, dissolver-se no citoplasma das hemácias e, apenas então, combinar-se à hemoglobina. A difusão do CO2 é mais simples.
Os gases respiratórios, O2 e CO2 tem solubilidade diferente no sangue. O CO2 é cerca de vinte vêzes mais solúvel que o oxigênio e pode ser eliminado com grande facilidade, pela simples diferença de pressão parcial, atravé de qualquer tipo de membrana.
A solubilidade dos gases, em geral, aumenta com a redução da temperatura.
Outros fatores, como o tipo de fluxo de sangue, podem acentuar a difusão dos gases através das membranas. Um recurso bastante usado na construção dos oxigenadores é a produção de correntes secundárias ou "marginais". Estas correntes correspondem à um certo turbilhonamento na superfície de contato da membrana com o sangue; ela favorece as trocas gasosas. A existência dessa turbulência pode compensar a relativa espessura da lâmina de sangue que atravessa o oxigenador.
MEMBRANAS VERDADEIRAS E MICROPOROSAS
Os princípios gerais acima enunciados aplicam-se aos oxigenadores de membrana de todos os tipos. Nas membranas microporosas, os gases não dissolvem no material da membrana; ao contrário, atravessam os poros microscópicos existentes na membrana para essa finalidade. Todas as demais variáveis que influenciam as trocas gasosas, também se aplicam às membranas microporosas.
Os oxigenadores de membranas foram concebidos para trabalhar sem a interface gás-sangue existente nas demais modalidades de oxigenadores. As membranas ditas "verdadeiras" constituem uma barreira entre o sangue e o gás, de modo que a transferência de gases depende inteiramente da difusão através o material de que a membrana é constituída. O gas, na realidade, dissolve-se na membrana e é liberado na face oposta, conforme o gradiente de pressão parcial existente entre os dois lados da membrana.
Os oxigenadores de membranas verdadeiras são de alto custo, difíceis de produzir, frequentemente requerem grandes áreas de membrana e tem um volume de priming maior. O único oxigenador desse tipo, em uso clínico é produzido pela empresa Avecor e representa a evolução do desenho original de Kolobov. Este oxigenador pode manter trocas gasosas, de oxigênio e de dióxido de carbono, em condições satisfatórias, por longos períodos (até semanas), sem perda da eficiência. Estes aparelhos reservam-se aos procedimentos de longa duração, como a assistência ventilatória ou circulatória prolongadas (ECMO/ELSO).
As membranas microporosas, pelo menos nos primeiros momentos da perfusão, permitem uma interface gás-sangue transitória. Após algum tempo ocorre o revestimento proteico das membranas que isola as duas fases, sangue e gás, mas permite a difusão pelos microporos. A tensão superficial do sangue impede que haja extravasamento através os minúsculos poros da membrana capilar. Os microporos, na realidade, funcionam como condutos através a membrana de polipropileno, conferindo suficiente capacidade de difusão a ambos os gases, oxigênio e dióxido de carbono.
Após algumas horas de uso, a capacidade funcional dos oxigenadores de membrana microporosa se reduz, em virtude da evaporação e subsequente condensação de soro que extravasa pelos microporos. Há evidências de que o aquecimento das membranas e do gás, pode retardar esse fenômeno e aumentar a durabilidade do aparelho.
O diâmetro dos poros das membranas microporosas é inferior a 1micron, embora as dimensões exatas dependam do processo de fabricação. É necessário que os microporos tenham menos de 1 micron de diâmetro para inibir o extravasamento de líquido ou gás pela superfície das membranas. Tipicamente, durante a fabricação, as fibras ôcas de polipropileno são extrusadas, aneladas e alongadas, para produzir os microporos. Após atingir as dimensões desejadas, as fibras são aquecidas, para estabilizar a estrutura do polímero.
Os dois sub-tipos de oxigenadores de fibras capilares são eficientes. Os oxigenadores em que o sangue circula dentro das fibras, ocasionalmente podem apresentar trombose de um grande número de fibras, com comprometimento da função. Quando o sangue flui externamente às fibras, a direção do fluxo sanguíneo pode ser perpendicular ou paralela à direção das fibras. Neste último caso, o sentido do fluxo de sangue é oposto ao do fluxo do gás. O fluxo de sangue perpendicular ao feixe de membranas, favorece as trocas gasosas, pela vantagem de produzir-se algum "turbilhonamento" ou correntes secundárias, pelo relevo irregular das fibras. Ambos os modelos exigem a vedação crítica dos trajetos de sangue e do gás, para permitir a adequada função do aparelho sem a produção de embolias gasosas.