人工肺——ECMO的膜材料简述与展望

人工肺
ECMO
ECMO—体外肺氧合治疗仪，俗称为“人工肺”。

被用于辅助肺功能出现障碍的患者呼吸。

运行时静脉血被吸入ECMO的人工肺膜之中，
通过膜完成与外界氧气的氧合并排出二氧化碳之后
再输送回到患者体内，以此来代替患者的肺完成呼吸。

下图为ECMO结构示意图，其中的膜式氧合器为整个系统的关键部件，其中所用的膜更是整个ECMO系统的核心所在，可以说膜直接决定了整个系统的运行效率。

图ECMO系统结构示意图
人工肺膜材料
膜材料的基本条件
作为与人体血液直接接触的膜材料，其必须要有良好的血液相容性，即不能引起血栓形成、溶血、等不良反应。

其次还要有良好的气体渗透性能，这是血液与氧气氧合并排出二氧化碳的前提保障。

再者膜材料还要有适宜的孔径，在保证气体通过速率的同时还要防止血液渗漏。

除了这些与关键功能相关的性能，膜材料还应有良好的化学稳定性、耐酸碱性、抗氧化性等。

常用膜材料介绍
1.均质膜
代表为聚二甲基硅氧烷，是一种硅橡胶，无毒害、无污染。

如今通常被当作涂层使用，以达到防止血浆渗漏并延长氧合器寿命的目的。

2.微孔膜
氧合器最初使用的是聚四氟乙烯膜，但因为价格昂贵、加工难度大而被淘汰。

目前主要被研究的微孔膜材料有聚丙烯和和聚4- 甲基1- 戊烯两种，这两种相较于其他材料具有更好的气体渗透性。

3.复合膜
目前，中空纤维做支撑并涂以特殊功能涂层的复合中空纤维膜成为了ECMO进一步发展的主要研究方向。

这种具有高通过性、高分离及其他特殊功能的复合膜预估也将成为未来ECMO主要应用的膜材料。

4.其他膜材料
有一部分材料如聚醚砜、聚砜、聚酰亚胺等在过去几十年间也进行过应用研究，但都由于自身的种种缺陷而未能投入商业化应用。

膜材料的工作原理
目前ECMO系统中主流应用的膜材料为中空纤维聚合物膜，因此下文主要介绍该种膜材料的工作原理。

根据气体和血液在中空纤维膜中的走向的不同和分为两种情况：血液在纤维内，氧气在纤维外；血液在纤维外，氧气在纤维内。

下图为两种不同情况的示意图。

气体与泵出的血液在中空纤维的表面发生交换——氧气扩散向血液，二氧化碳扩散向外界气体中，人工肺的“呼吸”就在这样的过程之中完成，并将富氧的血液输送回到患者体内便完成了ECMO辅助患者呼吸的流程。

图气体与血液在中空纤维中的走向示意图
我国ECMO发展现状及展望
Part.1/现状
目前我国ECMO系统主要依赖于进口。

市场主要被美国美敦力、意大利索林及德国迈柯唯3家企业占据，其中德国迈柯唯公司更是占据了70%以上的份额。

早期ECMO系统因价格昂贵、成本高、需求量小而不被重视。

而前几年间ECMO因为大量投入使用而逐渐被国人所认知并接受其作为一种辅助治疗手段。

因而国内的部分高校与学者也投入到了ECMO系统的研究中。

其中山东大学刘淑琴团队经过十余年的努力，研究出了全磁悬浮技术支持的ECMO样机。

该样机相较于进口设备具有更小的体积、更低的价格、更高的安全性。

除此之外也还有许多团队在ECMO系统的各个环节上进行着研究。

Part.2/展望
ECMO对于肺功能出现障碍的危重症患者的重要性在近些年来已得到了充分体现。

而几十年来ECMO在膜的组件结构设计和膜材料的选择两方面经历了多次演变。

而未来进一步提高膜材料的生物相容性、改善氧合器的结构设计等应是科研人员的主要研究方向之一。