ECMO膜肺,膜材料有多魔性?
ECMO即体外膜肺氧合“人工肺”,在抗击新冠疫情中屡次“临危受命”救治危重病患者而成为大众“网红” ,但它其实已经走过了近60年的发展和演变。
ECMO的基本结构包括:空氧混合器、磁悬浮离心泵、血液加热模块、氧合器、主机,其中最主要部件就是氧合器,亦称膜肺,承担血液氧合功能,其内部由中空微孔纤维膜丝构成,系统运行时,血液流经中空纤维膜的外表面, 氧气则从中空纤维膜的内腔流过,通过扩散作用,氧气进入血液,血液中的CO2进入中空纤维膜内腔随氧气一起被带走,替代肺功能,这就要求膜肺材料既拥有很好的透气性能,又能实现长效疏水,同时,还需结构致密有效防止血浆渗漏,并能逐渐递增流率,具特殊的肝素化涂层或抗凝技术,以满足临床中持续运行数周甚至数月的要求。
ECMO膜材发展经历了三代,第一代为固体硅胶膜,相容性好,血浆渗漏少,但排气困难、预充量大、跨膜压差大,随后二代PP聚丙烯微孔中空纤维代表膜解决了排气困难的问题,但微孔血浆渗漏可能性较高,使氧合能力下降;第三代材料是PMP(聚4-甲基1-戊烯)中空纤维膜,结合了一代和二代膜材料的优点,对氧气和氮气的渗透系数高,氧气通量是PE的10倍左右,还具有低溶出及生物安全性等特性,增加了血液相和气相分离度,实现更好的血气交换、低阻抗、低初始启动流量,解决了一直困扰临床的血浆渗漏和凝血问题,有效延长了 ECMO 的临床使用时间。
PMP膜性能优异,但制膜难度非常大,PMP晶区、非晶区密度一样,而且成孔尺度很小,结晶规律不一样,晶区不规则,晶粒尺寸、形态比较特殊,透过组分不能透过结晶区,成膜拉伸成孔要在非晶区,在工艺控制、成膜、拉伸成孔控制起来难度极大,采用干法成膜拉伸成孔不好控制,孔径大而不规则,国内有干法成膜甚至多级拉伸技术,但不能成孔,无法用于膜肺;而加溶剂湿法成膜技术,虽然理论上溶剂相分离均匀,孔径好控制,但由于溶剂对膜结晶度、膜分离系数、膜通量都有影响,所以使用溶剂的品种浓度用量,冷凝液,萃取液的种类,干燥和热定型处理的条件等,都对膜的气渗性能产生影响,如何通过控制相分离法中成膜液的浓度、添加剂的含量、蒸发时间的长短,拉伸法中拉伸的比率、热处理的温度和时间,精确地控制最终膜的结构。而且湿法制取的PMP膜还不能直接用于ECMO膜肺,还要对膜表面进行改性,需采用水等离子处理技术将羟基引入的PMP表面,再溴化偶联将碳酸酐酶共价接枝在PMP 表面,以提高其清除血液中CO2的能力。目前PMP膜全球只有3M公司能生产。
3M公司供应ECMO膜材料主要有Oxyphan毛细管膜,氧化膜,Hexpet热交换毛细管膜和Oxyplus毛细管膜四种。
Oxyphan膜为PP膜,单螺纹线轴,单层垫或双层交叉缠绕垫编织,具高孔隙率和均匀的孔分布,提供了出色的气体交换性能,高分支的海绵状孔结构使其对液体进入和血浆穿透具有很强的抵抗力。
3M氧化膜通过聚丙烯挤出生产,六个长丝线轴或单层或双层交叉缠绕,连续的退火和拉伸步骤在毛细管壁上形成孔。机械稳定性强,且不会损害气体交换性能或抗等离子体穿透性。