微加工技术解决早产儿肺功能不全的问题不再是梦-汶颢股份
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微加工技术解决早产儿肺功能不全的问题不再是梦

微加工技术解决早产儿肺功能不全的问题不再是梦

肺是出生前最后发育和成熟的器官。早产婴儿出生时早于怀孕37-39周,肺部发育不全,因此会出现呼吸困难,难以呼吸。结果,这些不发达的肺不能产生表面活性剂,这是一种在吸入时保持气囊开放的光滑物质,并且在呼气期间容易塌陷。根据世界卫生组织的报告早产是老龄化不到5年的儿童死亡的主要原因,并且其发病率在全世界都在增加。每年有1500万早产,由于早产并发症,每年导致100万人死亡。即使是幸存者也可能在成年期出现长期并发症。

患有RDS(呼吸窘迫综合征)的早产(早产)婴儿需要额外的呼吸支持才能让肺部发育。通常,机械通气是处理RDS的第一选择。如果机械通气不足,将使用另一种命名为体外膜氧合(ECMO)机器的生命支持装置。在ECMO中,血液被送到体外并通过称为血液氧合器的气体交换装置充氧。这两种方法都是侵入性的,可引起严重的长期副作用和并发症。在机械通气中,施加在肺部的正压会严重损害肺部组织。ECMO可能对肺部的破坏性较小,但它有自己的问题,特别是对于那些出生体重极低的婴儿。通常,ECMO设备需要大量血液进行灌注(例如,对于该设备,例如Quadrox-i Neonatal&Pediatric,大约40 mL) 但是,一公斤的早产儿只有大约100毫升的血液。因此,需要输入来自成人的供血者以保持整个系统的运作。尽管如此,婴儿血液和成人血液具有不同的生理学,其中新生儿的红细胞(RBC)与成人的红细胞相比具有更高的氧气亲和力。另外,需要进行手术以进入大血管,并且需要泵来保持血液在血管中流动,这可能损害RBC并导致溶血血栓形成。

人造胎盘作为替代解决方案

人工胎盘(AP)概念是指产后肺部辅助装置(LAD),其通过脐带连接到早产儿并且除了婴儿的肺之外还可以提供额外的气体交换。AP概念已经存在了很长一段时间,直到1961年卡拉汉等人首次尝试然而,由于效率低下以及可用于此目的的LAD不兼容,在诊所中仍然没有商业AP装置。理想的AP装置应该由婴儿的心脏而不是外部泵操作,同时在室内空气中提供足够的气体交换。而且,这种装置应该具有非常低的引发体积以消除对供体输血的任何需要并且仅用盐溶液填充。此外,所需生理盐水的体积不应超过婴儿身体总血液的10%,以避免血液稀释。AP装置的第一个和主要工作是补偿由肺部欠发达引起的气体交换损失。此外,还做了一些努力,以扩AP应用,并为早产儿提供营养,同时消除代谢废物。

通常由中空纤维膜制成的常规血液氧合器(用于ECMO)不适合人工胎盘应用,因为它们具有高的引发体积并且需要泵来操作。中空纤维膜(HFM)装置通过在塑料制成的外壳中捻合中空多孔管(纤维)束而制成。通常,氧气被引入这些纤维,血液在这些多孔纤维周围流动,其中氧气转移到血液中,二氧化碳从血液中释放出来。由于中空纤维束的性质,血液经历非生理旅行,这可能损害RBC并引发凝血。此外,通过毛孔或血液污染的血液渗漏的可能性很大。

应该注意的是,AP设备不会以与ECMO机器工作相同的方式操作。事实上,AP装置与血液循环系统并联连接到婴儿身体,其中装置的入口连接到动脉并且出口连接到静脉。这种特殊类型的动静脉连接导致进入装置的血液已经穿过婴儿的肺并被部分氧化。早产儿肺部欠发达不能使血液充分饱和,因此氧饱和度仅低于完全饱和度的10%-30%。因此,AP装置仅需要将氧饱和度水平从~70%提高到100%,这高于进入ECMO装置的氧饱和度水平。

解决方案

       在过去十年中,研究人员一直在使微加工技术来克服手足口病的缺点,并试图引入下一代血液氧合器。与传统ECMO装置相比,微流体血液氧合器在过去十年中显示出有希望的气体交换改善,这是由于通过减小肺部毛细血管的血液通道的尺寸来模拟自然肺。另外,微流体血液充氧器为血液提供更生理的流动路径,这对于设计用于长期应用的AP装置是至关重要的。

最近,微流体血液充氧器已经专门设计用于满足新生儿的需求,并且已经开发出具有低灌注体积,低压降以操作无压力并且能够在环境空气中工作 Rochow 等人,使用微流体血液氧合器为患有RDS的早产儿构建这样的LAD。他们的装置具有4.8毫升的低引发体积,并且可以成功连接到新生仔猪的脐带血管,并且仅通过动物心脏提供的压差进行灌注。虽然这个LAD的气体交换还不够,但是他们发现低启动量的无瑕LAD不再是幻想了!

挑战

        确实,未来属于血液氧合器推进微技术,因为它们的独特设计非常类似于自然肺。然而,他们需要克服一些挑战才能与HFM竞争并在市场上取代它们。主要挑战如下:

1.扩大规模:所有微流体血液氧合器的主要和最重要的限制是它们的小尺寸,这限制了它们的操作血流速率低于10mL / min。然而,AP装置可能需要支持高达60mL / min的更高血流速率。已经使用不同的策略来解决该问题,例如增加设备的尺寸或将多个设备连接在一起以增加总容量。似乎两者的组合应该用于达到所需的气体交换。

2.血液相容性:尽管使用抗凝血酶 - 肝素(ATH)聚乙二醇(PEG)涂覆PDMS表面等不同方法来改善血液接触表面的血液相容性,但需要更多的研究来评估这种涂层的可靠性。 AP设备所需的长期条件。

3.进入大口径血管:AP装置应该通过脐带连接到早产儿。主要挑战是在出生后立即收缩脐带血管。结果,需要将导管插入血管中并使血管保持打开并使血液流动而对血流的阻力最小。正如彭阿尔解释说,应使用特殊类型的导管进入脐带,以尽量减少对血流的阻力,并为AP装置提供最大可能的血流速率。