Wasserverlust durch extrakorporale Membranoxygenierung – Übersicht und experimentelle Überlegungen

Sturm¹, S. Schmidt², M. Wollenschläger², J. Gehron¹

¹ Universitätsklinikum Gießen und Marburg GmbH Standort Gießen, Klinik für Herz-, Kinderherz- und Gefäßchirurgie

² Kerckhoff-Klinik GmbH, Herzzentrum, Bad Nauheim

Schlüsselwörter

Extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO), Oxygenator, Wasserverlust, Membranen, Transportprozesse

Zusammenfassung

Hintergrund: Während extrakorporaler Unterstützung kommt es regelhaft zur Flüssigkeitsentstehung am Oxygenator, die offensichtlich abhängig von der Bauart und den physikalischen Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchte deutlich variieren kann. Diese kaum quantifizierbare Wasserabgabe erschwert die intensivmedizinische Bilanzierung und kann massive Flüssigkeits- und Elektrolytverschiebungen auslösen, die gerade für Neugeborene und Kinder absolut relevant wird. Die physikalische Entstehung ist wegen einer an sich trockenen Frischgaszufuhr und wasserdampfdichten Polymethylpentenfasern unklar. Ziel dieser Studie ist es, mittels einer Übersicht experimentelle Ansätze zur Quantifizierung und Entstehung des Wasserverlustes darzustellen und die Ergebnisse mit einer eigenen blutbasierten Kreislaufsimulation abzugleichen.

Methoden: Zur Übersicht führten wir eine Google Scholar- und PubMed-Recherche mit ECMO und Wasserverlust-assoziierten Schlagwörtern durch. Experimentell bestimmten wir in einem mit Frischblut gefüllten geschlossenen ECMO-System durch die Abnahme des zirkulierenden Volumens und durch die Sammlung der Flüssigkeit in der Gasphase des Oxygenators den Flüssigkeitsverlust.

Ergebnisse: Experimentelle Ansätze mit kristalloidem Priming zeigten einen Flüssigkeitsverlust von ca. 40–80 ml/Tag/l Gasfluss, der mit einer Erwärmung und Befeuchtung des Frischgases um ca. 50 % reduziert werden konnte. Der Verlust nahm mit zunehmendem Gasfluss linear zu, die Membranoberfläche hatte keinen Einfluss. Die blutbasierte eigene Simulation führte ebenfalls zu einem kumulierten und vom Gasfluss abhängigen Verlust von ca. 200–600 ml/Tag. Beide Ansätze zeigten eine Zunahme der Natriumkonzentration des Primings.

Diskussion: Transportvorgänge in plasmadichten Oxygenatormembranen lassen sich durch mikroskopische Lösungs-, Migrations- und Ausgasungseffekte von Wasser an der Membran erklären. Trotz einer Flüssigkeitsbarriere sättigen sich Polymerfasern mit Wasser auf und ermöglichen eine Durchwanderung der Membran, so dass vermeintlich eine Kondenswasserbildung sichtbar wird. Wegen der teilweise hohen Mengen sollten die Verluste bei der Bilanzierung der Intensivpatienten berücksichtigt werden.

Keywords

Extracorporeal membrane oxygenation (ECMO), oxygenator, water loss, mem- branes, transport processes, humidification

Abstract

Background: Fluid production at the oxygenator occurs regularly during extracorporeal support, which can obviously vary significantly depending on the design of the oxygenator and the physical conditions such as temperature and humidity. This hardly quantifiable water loss complicates intensive care fluid balancing and may cause marked fluid and electrolyte shifts, which becomes relevant especially for newborns and children. The physical origin is unclear due to an inherently dry sweep gas supply and water vapour-tight polymethylpentene hollow fibers. The aim of this study is to present experimental approaches to quantify and explain the water loss by means of a literature review and to update the results with an own blood-based simulation circuit.

Methods: For the literature review we performed a Google Scholar and PubMed search with ECMO and water loss associated keywords. Experimentally, we measured fluid loss in a closed ECMO circuit primed with fresh blood by circulating volume decrease and collecting fluid in the gas phase of the oxygenator.

Results: Experimental approaches with crystalloid priming showed a fluid loss of about 40-80 ml/day/l gas flow, which could be reduced by about 50 % with heating and humidification of the sweep gas. The loss increased linearly with increasing sweep gas flow; the membrane surface had no impact on fluid loss. The blood-based mock loop also resulted in a cumulative and gas flow dependent loss of about 200–600 ml/ day. Both approaches showed an increase in the sodium concentration of the priming.

Discussion: Transport processes in plasma-tight oxygenator membranes can be explained by microscopic dissolution, migration, and vaporizing effects of water at the membrane. Despite a liquid barrier, polymerfibers become saturated with water and allow water to migrate through the membrane, so that condensation is supposedly visible. Because of the sometimes-high quantities, the water loss should be taken into account when estimating the fluid balance of intensive care patients.

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