人工肺

生物医用高分子材料之人工肺目录人工肺的概述人工肺的分类各国关于人工肺的研究前景与展望人工肺的概述中文名称：人工肺英文名称：artificiallung，artificialoxygenator定义：能够使循环的血液、氧气和二氧化碳进行可控交换的装置。人工肺的概述人工肺又名氧合器或气体交换器，它是一种代替人体肺脏排出二氧化碳，摄取氧气，进行气体交换的人工器官，以往仅应用于心脏手术的体外循环，需和血泵配合称为人工心肺机。人工肺人工肺的概述70年代初，已将人工肺作为一个单独的人工器官进行研究。因它可以不用血泵而进行部分呼吸支持，并且有植入性人工肺的实验报告。因此，美国人工脏器学会(ASAIO)每年均有专门小组讨论人工肺的进展。人工肺的概述用途：人工肺是一项生命支持技术，可以在自身肺功能出现衰竭不能维持人体器官充分的氧供时使用，或者从长远发展来看，植入人体永久性地部分或完全替代人体肺功能。现在世界上有1万多病人使用人工肺。种类：人工肺大体有三种类型：膜式、气泡型、平面接触型。膜式人工肺使用数万根中空纤维集束组成，每根中空纤维表面上布满了微孔，这些孔极小，使血液渗不出去，但可以排出二氧化碳、吸进氧气，进行气体交换。人工肺的概述运用人工肺代替动物肺的研究实验人工肺的分类鼓泡式血液被氧气（或氧与二氧合碳混合气）吹散过程中进行气体交换，血液中形成的气泡用硅类除泡剂消除，根据形态有筒式和袋式，是目前应用最广的，第四军医大学西京医院研制并生产的西京-87型氧合器，其主要部件性能达国际水平，为国内各医院欢迎；膜式用高分子渗透膜制成，血液和气体通过半透膜进行气体交换，血、气互相不直接接触，血液有形成分破坏少，其外形有平膜式和中空纤维式。人工肺的分类膜式人工肺已广泛应用于心血管手术的体外循环,欧美几乎100%应用膜式人工肺进行体外循环,国内应用估计也在50%左右。由于国情,鼓泡式人工肺仍会有一定的市场,尤其在冠吸引和Roller泵对血液的破坏没有解决之前,短时间的心血管手术仍将应用。膜式人工肺也广泛应用于呼吸衰竭的抢救治疗即体外生命支持(ECLS)或体外膜氧合(ECMO),对植入性人工肺的研究也取得了成绩,Mortensen首创的血管内氧合器(IVOX)也已初步应用于临床。膜式人工肺人工肺的分类膜式人工肺1ECLS或ECMOHill70年代首创ECMO治疗呼吸衰竭后已取得了巨大成绩。80年代NIH进行二组前瞻性对比研究认为ECMO可改善血氧指标,但不能提高生存率,90年代ECMO应用已超过10000例以上,生存率由11%提高到63%～95%(婴幼儿),成人则为40%左右。2IVOXIVOX是一种小型中空纤维膜式氧合器,具有摄取O2和排CO2功能。IVOX由外科往股静脉插入下腔静脉或由颈静脉插入上腔静脉。O2由真空泵负压吸引输入中空纤维,血氧由IVOX和腔静脉的静脉血进行交换而完成。它可供给机体的30%O2和排出相应的CO2,已开始应用于临床,美国有13个中心、欧洲有22个中心在进行IVOX的临床研究。天津也已完成了原型和实验室的测试评估。人工肺的分类膜式人工肺3体外排除CO2(ECCO2R)由Kolobow提出的ECCO2R主要目的是减少呼吸机引起的呼吸道压力增高所致的肺损伤,且对II型呼衰(高碳酸血症为主)有帮助。主要概念为(1)高碳酸血症在人工肺支持时,小血流量即可纠正。(2)ECCO2R纠正通气缺陷所引起的CO2潴留,因余肺仍有排CO2功能。(3)人工肺排CO2与血流量无关,与膜面积有关。(4)可降低FIO22%和呼吸道压力,避免氧压伤和O2中毒。4透析型人工肺利用人工肾排出HCO3-的功能,纠治临床上往常发生的呼酸代碱,尤其是医源性呼酸代碱。天津泌尿外科研究所与天津市肺科医院人工肺研究室已完成了实验室的研究工作。在日本已有个案报道。人工肺的分类膜式人工肺5植入性人工肺真正的植入性人工肺是一个艰难的长期研究工作。但对诸如COPD、囊性纤维化、原发性肺纤维化、矽肺等广大急慢性呼吸衰竭的患者来说肺移植是唯一有效的治疗方法。自1981～1993年全世界已完成521例双肺移植,1144例单肺移植。美国每年有1000例患者等待肺移植。但实际不足300～500例。理想的植入性人工肺需具备(1)能置入胸腔;(2)血液灌注压15mmHg;(3)以空气作气源也能有良好的血气交换功能;(4)膜材料生物相容性好;(5)人工肺柔软、易改变形状便于置入胸腔;(6)每分提供200mL/min的O2和CO2交换功能。虽然困难很多,但“需要是发明之母”,“只要有理想,就一定有解决的方法”。各国关于人工肺的研究2004年美国匹兹堡大学医学中心研制出一个能够暂时替代人体60%肺功能的装置。这个被称为“哈特勒呼吸导管”的“人工肺”，呼吸导管从大腿处进入人体静脉血管后，曲折上行，最后到达并定位于静脉腔——一根向心脏回送血液的主静脉。该装置的主要构件是一个外面缠绕着1000根空心细管的小气球，它每分钟能够膨胀或收缩300次。在此过程中，血液被推动着穿过这些细管，并不断从中吸进氧气，排出二氧化碳。氧气溶入血液，人工肺助呼吸各国关于人工肺的研究2002年4月，日本冈山大学医学系的科研人员宣布，他们已经研制出一种可以置入人体内部的小型“人工肺”。据此间媒体报道，这种“人工肺”是一种体积和形状与烟盒相仿的塑料装置，外部的氧气罐将为之提供氧气。“人工肺”内部充满了数万条极其微小的管状细丝，这些细丝可以充当滤血器。研究人员说，“人工肺”内部的血液循环将通过心脏的相关功能来完成，并不需要任何外部动力设备。他们希望“人工肺”能够用来作为等待接受器官捐献者的病人的临时装置。病人体内置入“人工肺”之后，想要四处活动一下就可以少费一些力气。微型人工肺前景与展望日前，据澳大利亚广播公司报道，美国科学家首次公布了一项最新研究成果：在实验室中用干细胞人工培养出肺脏，植入老鼠体内可使其存活6小时。美国哈佛医学院的研究团队将老鼠肺脏上的细胞剔除，只留下细胞外间质作为新肺生长的“撑架”。随后，他们在“撑架”中植入可定向发展为肺细胞的人类脐带细胞和老鼠胚胎细胞，并将其放入模拟生物体内环境的培养器中进行培养。这个微型人工肺在培养器中不断生长，并于大约1周后开始氧气交换，也就是像正常肺一样“呼吸”。被植入老鼠体内后，人工肺仍能继续工作，成功使老鼠存活了6小时。尽管肺移植手术在我国已开展多年，但并不是每个人都像原思通那样幸运。稀缺的肺源，总是将很多人拒之肺移植大门之外。那美国的生物人工肺能否解决这一问题，他们是利用什么方法造出的？什么时候这一技术能应用到人？前景与展望人工肺工作原理图前景与展望•利用原有支架长出肺“这个生物人工肺不是真正意义上的人工肺，可以称为再生肺，因为还不是全人工制造，而是利用原有的大鼠肺支架为基础，经种植上血管内皮细胞和肺泡上皮细胞而完成的。”同济大学医学院常务副院长、医学博士和药理学博士徐国彤教授说。他介绍，本次美国哈佛大学麻省总医院牵头完成的再生肺研究，简单说起来是这样的：先把健康大鼠的肺取出，通过一个特定的装置对肺组织进行脱细胞处理，用一种叫SDS的灌注液对肺组织内部进行冲洗（有些像我们用肥皂液洗手一样），得到无细胞的“肺支架”，该“支架”仍保留有血管、气道和肺泡等结构。然后把“支架”固定在特制的生物反应器中，再把两种细胞分步种植到“肺支架”上去并进行培养，大约两周就可以完成肺的再生。前景与展望•利用原有支架长出肺“该再生肺，在体外实验中显示可以有血液流通和气体交换。在动物实验中，把大鼠部分肺叶切除并移植再生肺叶后，该肺可以有受试大鼠的血液流通、气道可以通气。检测动脉血氧分压的结果表明再生肺能进行气体交换。”徐国彤说，“这是一个很大的突破。但目前，这个再生肺的功能只维持了6小时。第7小时时，再生肺的肺泡内因充满了非血性液体而失去功能。病理检查证实是肺水肿。但相信随着研究的进展和技术的改进，再生肺的生存时间会越来越长。”前景与展望•因子控制干细胞发展成肺细胞“利用干细胞制造肺组织的各种细胞目前还做不到，”徐国彤说，“干细胞是指具有自我更新能力和分化潜能的细胞，就是说一个干细胞可以产生与它完全一样的子代细胞或其他类型细胞的子代细胞（比如肺泡上皮细胞、肝细胞、神经细胞等）。”根据干细胞能产生的子代细胞类型的多少，可以被分成全能干细胞（可以分化成任何种类细胞）、多能干细胞（可以分化成多种类型细胞但不是所有类型细胞）以及组织干细胞（只能分化为特定组织细胞，如神经干细胞）等。干细胞可以有多种来源：从早期胚胎（囊胚期）内细胞团培育出来的干细胞被称为胚胎干细胞；从成体组织获得的干细胞叫成体干细胞（经常讲到的骨髓间充质干细胞就属于这类）；而利用Yamanaka因子（共有四个）可以把多种成体细胞（不是干细胞）转变为多能干细胞，统称为诱导性多能干细胞（即iPS细胞）。徐教授介绍：“这次生物人工肺的研究者应该是已经考虑甚至在进行以能定向分化成肺组织细胞的干细胞为种子细胞的研究了，通过在培养时加入不同的因子，控制这些干细胞变成我们需要的细胞类型。如内皮细胞、上皮细胞等等。”前景与展望•应用到人，最少要5年针对这项研究，耶鲁大学的妮可拉森博士说：“这是肺部再生的起步，最终会用在人类身上。”她说：“到最后，我希望能够创造出一个可直接植入人体内的肺脏。这样一来，我们就不必再进行肺部移植手术了。”但徐国彤表示：“从动物试验到临床应用到人，需要很长的路，不是一蹴而就。但一旦成功，肯定给器官移植行业带来巨大变化。”哈佛大学医学院的研究人员也坦言，要想用类似的方法培养出可用的人类肺脏还有很长一段路要走，但是在5到10年内，这项研究将取得重大进展并最终被投入实际医疗应用，为需要肺脏移植的病人解决肺源不足的问题。无论如何，这项里程碑性的成就，为全球约5000万的晚期肺脏疾病患者带来了希望。甚至有人猜想，如果把一副肺原有细胞去除后，植入待接受移植者的干细胞，再把长出的新肺植入他的体内，“新肺”会像他被摘掉的“旧肺”一样被滋养、调整和生长。这样就能大幅降低排异反应，同时解决可移植器官紧缺问题。