李和昌

肺臟異常復雜

為了研發(fā)人工肺，一些研究小組轉(zhuǎn)向再生醫(yī)學領(lǐng)域，指望依靠細胞培養(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，用各種人類肺細胞逐漸覆蓋肺基質(zhì)。 2010年，美國馬薩諸塞州綜合醫(yī)院、麻省綜合醫(yī)院和哈佛大學醫(yī)學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，該人工肺僅僅工作了2小時，相關(guān)技術(shù)還有待改進。

肌肉是能收縮的人體組織，由胚胎的中胚層發(fā)育而來。肌肉細胞有收縮纖維，會在細胞間移動并改變細胞的大小。確切地說肺是沒有肌肉的。肺臟不停地吸氣和呼氣。沒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8億個肺泡，展開面積高達130平方米。肺泡負責保障維持生命所必需的氣體交換。要在實驗室研發(fā)出如此緊湊而又精巧的器官，著實不易。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在專心設(shè)計能幫助患者“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。此類人工肺的第一階段試驗有望在5年內(nèi)進行，國外一些研究小組已經(jīng)在研發(fā)或者完善樣機。

穿戴式人工肺

有朝一日，呼吸衰竭、心肺功能嚴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醫(yī)院、參加自己喜歡的活動。吸進空氣、排出二氧化碳的穿戴式人工肺或能夠挽救無數(shù)肺病患者的生命。那將是一場真正的醫(yī)學革命，也是一個非常大膽的研究項目。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)，并且必須對于患者既有效又安全。

研發(fā)小型自主生物動力人工肺，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，這個想法現(xiàn)在看來有可能實現(xiàn)。相關(guān)研究已經(jīng)取得了一定成果，即便出于商業(yè)競爭的原因，大多仍處于保密狀態(tài)。此外，2013年進行了全球首顆全人工心臟移植，這些進展給因疾病導致肺臟嚴重受損的無數(shù)患者帶來了希望。在人工肺的研發(fā)上，工業(yè)工程學技術(shù)毫無用武之地。因為，無論是汽車制造還是能源生產(chǎn)，都用不到類似機制。液體中氣體的單向交換完全是一個只存在于生物學領(lǐng)域的問題。

目標：小點，再小點

其實，有一種體外人工肺已經(jīng)存在40多年。它的名稱是體外薄膜肺氧合機。多年來用于對嚴重呼吸和心臟功能不全的危重患者進行有效的呼吸循環(huán)支持。 體外薄膜肺氧合機的外形好似冷凍機，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。氧合機通過中空纖維組成的薄膜，實現(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)備會損害血細胞，促使凝血產(chǎn)生，從而增加血栓形成的風險，出現(xiàn)堵塞薄膜的成分，致使設(shè)備使用20天左右性能便會開始下降。

更精確地模擬呼吸

科研人員認為，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導致的并發(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科。科研人員設(shè)想，運用該研究領(lǐng)域飛速發(fā)展的知識和技術(shù)，研發(fā)新型薄膜，也就是微流體薄膜。現(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，現(xiàn)在接近0.25毫米的氣體輸送膜也更薄。因此，可以設(shè)計出更小的人工肺，降低凝血傾向，改善氣體輸送效率。

美國密歇根大學的研究小組研發(fā)出的微流體膜，其換氣效率在當下名列前茅。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。豬血試驗顯示，微流體膜的氧氣交換率是體外薄膜肺氧合機的3～5倍。這樣，便可以使用普通空氣來替代純氧，使患者最終擺脫至今無法離身的笨重的氧氣瓶！

人工肺的小型化問題正在解決之中。另外一個挑戰(zhàn)則涉及將人工肺與患者相連接的插管。對此，應當避免患者走動時插管發(fā)生移動，并控制感染風險。最后，還必須確保人工肺的安全性和耐用性。目前，由于各研究團隊之間競爭激烈，很難了解到更多的信息。因為他們都不愿過早披露自己的技術(shù)，免得被他人剽竊。