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使用微流控技术为早产儿提供呼吸支持

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对于早产的新生儿,呼吸系统发病率是一个重要的问题。早产新生儿的肺部尚未完全成熟,因此通常需要某种支持。尽管目前的治疗方法(例如机械通气)可大大降低死亡率,但它们可能导致医源性伤害。由Selvaganapthy博士领导的麦克马斯特大学研究小组与纽伦堡大学医院合作开发了一种无泵微流控设备,以克服这些并发症并为早产婴儿提供呼吸支持。

作者解释说:“在本文中,展示了微流控人工胎盘型新生儿肺辅助装置(LAD)在新生仔猪模型上的首次成功操作,该模型最能代表早产婴儿。”  

微流控装置的设计与工作原理

        肺辅助设备(LAD)由8对连接到流量分配器的微流芯片(称为微流血氧合器(MBO))组成。首先,血液进入流量分配器,流量分配器将流量分成相等流量的16个流。每个流都流入MBO,在此MBO进入的脱氧血液被氧化并离开设备。然后将这16个流合并并流到气泡收集器中,最后返回动脉。

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 新生儿仔猪模型的实验装置,用于测试用于人工胎盘的无泵新生儿肺辅助装置。

“在我们的方法中使用的动静脉连接将部分含氧的血液从肺部引导到LAD中。LAD可以通过将氧饱和度进一步增加到100%,然后再将其返回人体来提供帮助。计算表明,LAD能够通过将其50 mL min-1的血液中氧饱和度从≈75%增加到室内空气中的100%来支持1.5千克的新生儿,从而提供总氧需求的30%并防止呼吸苦恼。”

微流体血液充氧器(MBO)包括高度为180μm(或130μm )的PDMS微流体腔室,该腔室由1 mm 2的微柱阵列组成,总表面积约为30 cm 2。设计微流腔室,使输入的血流分布在整个宽表面积上,以促进更有效,更快速地交换氧气。微室夹在两个多孔膜之间,以使气体与周围环境交换。

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3、a)具有锥形入口/出口配置的MBO的3D示意图,b)MBO的俯视图,c)血液流速为5 mL min -1时MBO的速度分布图,显示了均匀的分布以及流动方向的缓慢变化d)LAD的3D图以未组装的格式显示所有3D打印的组件,MBO和流量分配器。所有MBO之间都有固定的间隙,以使空气对流流动。血液从底部流量分配器供入LAD,从顶部流量分配器离开LAD,以确保内部没有气泡。

微流体血液充氧器(MBO)包括高度为180μm(或130μm )的PDMS微流体腔室,该腔室由1 mm 2的微柱阵列组成,总表面积约为30 cm 2。设计微流腔室,使输入的血流分布在整个宽表面积上,以促进更有效,更快速地交换氧气。微室夹在两个多孔膜之间,以使气体与周围环境交换。

已知PDMS具有疏水性,因此容易吸收蛋白质。因此,PDMS表面经常被修饰以防止蛋白质附着在表面上。在这种情况下,微通道用肝素包被以避免蛋白质吸收,血液凝结,血小板粘附和血栓形成。

在成功使用牛血对微流控肺辅助设备进行初步测试后,将其带入了一个新的高度。拟议的微流体平台已用仔猪进行了测试。选择小猪作为动物模型是因为与其他动物相比,它在体重,血容量和生理特征方面更好地代表了人类早产和足月新生儿。  

仔猪实验的结果表明,这种LAD在无并发症的气体交换中是有效的,并且与体外结果一致。作者总结说,开发LAD的其他步骤包括安装血液相容性,生物相容性以及通过脐带血管进行发育。”   

原文名称:

A Pumpless Microfluidic Neonatal Lung Assist Device for Support of Preterm Neonates in Respiratory Distress

文献链接:https://doi.org/10.1002/advs.202001860


手持式PDMS打孔器