人工肺：可穿戴設(shè)備里的黑科技

李和昌

肺臟異常復(fù)雜

為了研發(fā)人工肺，一些研究小組轉(zhuǎn)向再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，指望依靠細(xì)胞培養(yǎng)。這些研究小組設(shè)想提取死者的肺臟，用一種特殊“洗滌液”除去上面的所有細(xì)胞，只保留組成肺基質(zhì)的蛋白質(zhì)。隨后置入培育箱，用各種人類(lèi)肺細(xì)胞逐漸覆蓋肺基質(zhì)。 2010年，美國(guó)馬薩諸塞州綜合醫(yī)院、麻省綜合醫(yī)院和哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的科研人員采用這一思路成功培育出小鼠的人工肺。不過(guò)，該人工肺僅僅工作了2小時(shí)，相關(guān)技術(shù)還有待改進(jìn)。

肌肉是能收縮的人體組織，由胚胎的中胚層發(fā)育而來(lái)。肌肉細(xì)胞有收縮纖維，會(huì)在細(xì)胞間移動(dòng)并改變細(xì)胞的大小。確切地說(shuō)肺是沒(méi)有肌肉的。肺臟不停地吸氣和呼氣。沒(méi)有肺臟不間斷地工作，就不能使氧氣注入血液，并排出其中的二氧化碳。肺臟里面有6億到8億個(gè)肺泡，展開(kāi)面積高達(dá)130平方米。肺泡負(fù)責(zé)保障維持生命所必需的氣體交換。要在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出如此緊湊而又精巧的器官，著實(shí)不易。目前，研發(fā)可植入患者胸腔的人工肺還不在考慮范圍內(nèi)?？蒲腥藛T在專(zhuān)心設(shè)計(jì)能幫助患者“呼吸”的穿戴式體外人工肺，或可別在腰帶上，或可置于背包中，或可掛在頭頸上。此類(lèi)人工肺的第一階段試驗(yàn)有望在5年內(nèi)進(jìn)行，國(guó)外一些研究小組已經(jīng)在研發(fā)或者完善樣機(jī)。

穿戴式人工肺

有朝一日，呼吸衰竭、心肺功能?chē)?yán)重受損的患者再也不用住院了，患者帶上穿戴式人工肺可以離開(kāi)醫(yī)院、參加自己喜歡的活動(dòng)。吸進(jìn)空氣、排出二氧化碳的穿戴式人工肺或能夠挽救無(wú)數(shù)肺病患者的生命。那將是一場(chǎng)真正的醫(yī)學(xué)革命，也是一個(gè)非常大膽的研究項(xiàng)目。人工心臟的主要難題，是研發(fā)出使血液在體內(nèi)循環(huán)的泵。而對(duì)于人工肺，除了泵，還要研發(fā)出能夠?qū)⒀鯕廪D(zhuǎn)換為二氧化碳的氣體交換系統(tǒng)，并且必須對(duì)于患者既有效又安全。

研發(fā)小型自主生物動(dòng)力人工肺，使需要移植肺臟和不具備移植條件的患者能夠在醫(yī)院外正常生活，這個(gè)想法現(xiàn)在看來(lái)有可能實(shí)現(xiàn)。相關(guān)研究已經(jīng)取得了一定成果，即便出于商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的原因，大多仍處于保密狀態(tài)。此外，2013年進(jìn)行了全球首顆全人工心臟移植，這些進(jìn)展給因疾病導(dǎo)致肺臟嚴(yán)重受損的無(wú)數(shù)患者帶來(lái)了希望。在人工肺的研發(fā)上，工業(yè)工程學(xué)技術(shù)毫無(wú)用武之地。因?yàn)?，無(wú)論是汽車(chē)制造還是能源生產(chǎn)，都用不到類(lèi)似機(jī)制。液體中氣體的單向交換完全是一個(gè)只存在于生物學(xué)領(lǐng)域的問(wèn)題。

目標(biāo)：小點(diǎn)，再小點(diǎn)

其實(shí)，有一種體外人工肺已經(jīng)存在40多年。它的名稱(chēng)是體外薄膜肺氧合機(jī)。多年來(lái)用于對(duì)嚴(yán)重呼吸和心臟功能不全的危重患者進(jìn)行有效的呼吸循環(huán)支持。 體外薄膜肺氧合機(jī)的外形好似冷凍機(jī)，重量近40千克。它將患者的血液引出體外，輸入氧氣并且排出二氧化碳，然后將其重新注入患者血管。氧合機(jī)通過(guò)中空纖維組成的薄膜，實(shí)現(xiàn)血液和富氧空氣之間的氣體交換，從而部分再現(xiàn)了肺泡的工作。

然而，從醫(yī)學(xué)角度看，該設(shè)備并不完善。由于體積龐大，患者必須住院。另外，設(shè)備會(huì)損害血細(xì)胞，促使凝血產(chǎn)生，從而增加血栓形成的風(fēng)險(xiǎn)，出現(xiàn)堵塞薄膜的成分，致使設(shè)備使用20天左右性能便會(huì)開(kāi)始下降。

更精確地模擬呼吸

科研人員認(rèn)為，最大的挑戰(zhàn)是使人工肺小型化，并且避免體外薄膜肺氧合機(jī)導(dǎo)致的并發(fā)癥。因此大多數(shù)研究小組寄希望于微流體技術(shù)，即在微觀尺寸下控制流體的學(xué)科?？蒲腥藛T設(shè)想，運(yùn)用該研究領(lǐng)域飛速發(fā)展的知識(shí)和技術(shù)，研發(fā)新型薄膜，也就是微流體薄膜?，F(xiàn)在，研究人員已經(jīng)取得了非常鼓舞人心的初步研究結(jié)果！與現(xiàn)有的纖維氧合器相比，微流體系統(tǒng)能夠更為精確地模擬人體血管系統(tǒng)，而且管道直徑僅幾微米，更加纖細(xì)，現(xiàn)在接近0.25毫米的氣體輸送膜也更薄。因此，可以設(shè)計(jì)出更小的人工肺，降低凝血傾向，改善氣體輸送效率。

美國(guó)密歇根大學(xué)的研究小組研發(fā)出的微流體膜，其換氣效率在當(dāng)下名列前茅。他們制出的原型產(chǎn)品僅重20克，由可透氣人造硅血管構(gòu)成，血管的直徑小于12微米，只有一根頭發(fā)的1/4。豬血試驗(yàn)顯示，微流體膜的氧氣交換率是體外薄膜肺氧合機(jī)的3～5倍。這樣，便可以使用普通空氣來(lái)替代純氧，使患者最終擺脫至今無(wú)法離身的笨重的氧氣瓶！

人工肺的小型化問(wèn)題正在解決之中。另外一個(gè)挑戰(zhàn)則涉及將人工肺與患者相連接的插管。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)避免患者走動(dòng)時(shí)插管發(fā)生移動(dòng)，并控制感染風(fēng)險(xiǎn)。最后，還必須確保人工肺的安全性和耐用性。目前，由于各研究團(tuán)隊(duì)之間競(jìng)爭(zhēng)激烈，很難了解到更多的信息。因?yàn)樗麄兌疾辉高^(guò)早披露自己的技術(shù)，免得被他人剽竊。