CN1076867A - 植入式人工肺 - Google Patents

Abstract

植入式人工肺，一种用于医疗上原位植入病人的 胸腔内，以永久替代人体肺呼吸功能的人工脏器。

本发明主要由体内放置的弹性塑料储血袋(1)、 袋内充填的硅胶毛细管网(5)，以及管网内循环的富 氧人造血(9)所构成。肺循环血液流经储血袋(1)，在 硅胶毛细管外的众多网眼中低阻力流动，O₂及CO₂ 通过硅胶半透膜，与毛细管内的富氧人造血进行液膜 式弥散交换，使人体静脉血氧合成动脉化血；同时人 造血(9)不断经体外的膜式氧合器(11)循环，完成二 次气体交换。

Description

本发明是关于由弹性塑料储血袋，袋内充填的硅胶毛细管网，以及管网内循环的富氧人造血所构成的液膜式人工肺，用于医疗上植入慢性呼吸衰竭病人的胸腔内，以便永久替代人体肺的呼吸功能。

人体肺的生理功能是进行气体交换，即从体外吸入氧气（O₂），通过肺泡进入肺循环的毛细血管网，使静脉血氧合成动脉化血;同时将人体代谢所产生的二氧化碳（CO₂）呼出体外。在慢性呼吸衰竭的病人，由于各种慢性肺部疾患致呼吸功能丧失贻尽，发生难治性低氧血症和高碳酸血症。此时病人的肺实质已遭受严重的不可逆损害，既使通过开放呼吸道持续高浓度给氧，甚至人工呼吸机正压通气治疗，也无助于肺泡与肺毛细血管网之间的气体交换，抢救无效者屡见不鲜。对这类病人可以施行异体肺移值，但移植肺的免疫排斥、供体来源等棘手问题难以解决，严重限制了移植手术的应用价值。而目前的各种膜式人工肺，必须通过体外循环装置与病人的血液进行气体交换，由于存在体积庞大、结构复杂，需血泵辅助加压，血球破坏严重，体液丧失明显等致命弱点，无法植入病人体内，只能临时放置于床旁，供急性呼吸衰竭的短期抢救使用。

本发明的目的，是为了提供一种能够长期埋藏于病人胸腔内，血循环阻力低，气体交换率高，结构简单，并发症少，符合人体肺的解剖生理特点，可以永久替代其呼吸功能的植入式人工脏器。

本发明的构思在于，根据人体肺及肺循环的解剖、生理特点，设计一种可固定于胸腔内的塑料储血袋，作为一个贮存回心血液的密闭弹性容器，其入口、出口分别与病人的肺动脉和肺静脉相连。储血袋内充填由近万根硅胶毛细管平行编织成的多层疏松网状结构，利用人体心脏自身提供的泵动力，驱使血液在毛细管外的众多网状缝隙中低阻力流动;同时在硅胶毛细管内，灌注由全氟碳化合物乳剂配制成的人造血，作为运输O₂及CO₂的中间载体，经管道回路与放置在体外的膜式氧合器相通，并由附加的滚压泵推动人造血在硅胶毛细管网内循环。由于含有人造血的硅胶毛细管网完全浸浴在储血袋内的人体血液中，根据气体弥散原理，薄层的硅胶毛细管壁构成一种气体半透膜，允许毛细管内外的O₂及CO₂分子依靠各自的压力梯度同时反向透过，在相互逆向流动的人造血与人体血之间进行气体交换。即来自于体外膜式氧合器的人造血携带大量氧气，经硅胶半透膜O₂进入毛细管外氧分压较低的静脉血，使之不断氧合成动脉化血;而病人血液中张力较高的CO₂，则同时弥散到硅胶毛细管内，由人造血输送到体外的氧合器排出。如此循环不已，从而永久替代人体肺的呼吸功能，实现本发明。

下面结合附图，对本发明作进一步地详细说明。

图1是本发明的正面剖视图。

图2是本发明的侧面剖视图。

图3是本发明的使用示意图。

如图1、图2，本发明的形状仿造人体生理肺，表面为一层密闭的塑料储血袋（1），作为人体肺循环中贮存回心血液的一个容器，其实际体积比静息呼吸时的左肺稍小，袋内的有效储血容积约500～750ml。塑料袋由医用高分子材料构成，植入胸腔后应随胸廓的呼吸运动伸展和回缩，故要求选择富有弹性的聚醚聚氨酯或硅橡胶作为外膜。为了防止血液凝固及血栓形成，储血袋内面可贴衬一层血容性好、表面光洁的抗凝血薄膜，如经明胶生物化处理或加入肝素共聚而得的嵌段聚氨酯，内外两层紧密地粘合在一起组成弹性复合膜。在储血袋（1）的上端内侧贴前胸处，为来自于右心的静脉血的入口（2）;而下端外侧贴后背处，开有两个血液出口（3），出入口管径应保证人工肺的血流量为3.0～5.0升/分。在储血袋（1）的外壁四周，均匀地分布十几个挂环（4），用于穿针挂线固定人工肺。

在储血袋（1）的内部空间，沿血流方向与纵切面平行，充填数十层重叠在一起的硅胶毛细管网（5）。每层毛细管网的外形尺寸一致，形状如园钝的斜边三角形，由近百根硅胶毛细管纵横交叉地平行编织，疏松地织成一张满布孔眼的筛状网巾，致密度自上而下逐渐递增，网状缝隙（即网眼）的大小应编织为多种规格。然后按网眼由大到小的顺序，从前至后依次将数十张不同规格的硅胶毛细管网整齐地重叠，层与层之间加一只空心的硅胶垫圈，使之保持一定间距，再用室温硫化型硅橡胶（RTV）相互紧密地粘合成一体。在众多硅胶毛细管两端的共同开口处，分别汇合形成三个膨大的管腔，即入口管（6）、集合管（7）和出口管（8）。以斜边三角形的周边为界，将这些管腔与储血袋（1）严密隔绝，可以耐受2个大气压力而不致于破裂;并在三个顶点处彼此封闭，使每个管腔只与相应一端的众多毛细管开口连通，从而构成硅胶毛细管网的密闭回路：入口管（6）→纵向毛细管网（5）→集合管（7）→横向毛细管网（5）→出口管（8）。

制造硅胶毛细管的材料，可以选用透气性能良好的高纯度硅橡胶，其中以不含二氧化硅的聚酯增强型硅胶较好。经过挤压加工成外径约1000um、壁厚300um左右的毛细管。管壁的厚度应适中，既要保持良好的透气性能，又能承受较大的压力而不致于破裂;管壁上的微孔直径应小于2.0um，只允许分子量在100道尔顿以下的小分子物质通过。管壁外表面应非常园滑，并进行肝素化涂层处理。或者选择同一管径的多孔质聚四氟乙烯、聚丙烯等空心纤维，在其满布微孔的管壁表面牢固地涂布一层硅胶超薄膜，构成硅胶复合膜毛细管，具有更好的气体弥散度。至于本发明所用硅胶毛细管的具体数目、网眼大小及重叠层次，一方面要求足够的气体交换，使硅胶毛细管网的总膜面积达到3.0～4.0平方米，满足人工肺的通气量接近血流量4.0升/分;另一方面又要避免增加肺循环的阻力，使储血袋入口处的平均压力低于30.0mmHg（4.00kpa），有效血流量超过3.0升/分，从而保持人工肺通气/血流比率的正常（即

/

＝0.7～1.3）。防止因硅胶毛细管数目偏少、通气不足引起 /

值降低，或者人工肺阻力增大、血流量减少造成的

/

值升高。

在硅胶毛细管网（5）的所有管腔内，预先注入富含氧气的人造血液（9），通过其密闭的管道回路（6）～（8）不断循环，人造血与人体血保持完全隔绝。人造血（9）由全氟碳化合物（FC）乳剂构成，类似人体血所含血红旦白（Hb）的运载作用，能够迅速、大量地可逆性吸收并释放O₂和CO₂，随着人造血的循环运输气体。常用的全氟碳化合物有全氟三丁胺（FC-43）、全氟丁基四氢呋喃（FC-75）、全氟萘烷（FDC）等，乳化剂可选择聚环氧乙烷（F68），乳剂中FC所占的体积比可超过20%。乳化微粒的直径应大于2.0um，使之不能通过微孔透气膜进入人体血，以免对人体带来付作用。人造血液（9）中应含有K⁺、Na⁺、Cl^-等电解质，其配制浓度与人体血浆的成份完全一致，保持人造血与人体血的渗透压相等，防止水份及电解质在两种液体之间转移。

人造血循环避免了血液凝固及血球破坏等棘手问题，在透气膜和回路管道的材料选择上勿需顾及抗凝性能，并且能永久耐受滚动泵的反复挤压。为了防止人工肺凝血，应在人造血（9）中加入适量的肝素及/或前列腺素E1，抗凝剂透过硅胶毛细管壁，持续、微量地渗透到管外的人体血液中，使硅胶毛细管网（5）始终保持局部肝素化。一旦储血袋（1）内有血栓形成，通过由疏到密数十层排列的硅胶毛细管网（5），可以被完全滤过并溶解，防止血栓进入全身动脉系统造成栓塞症。硅胶毛细管网（5）及其密闭回路（6）～（8），必须与储血袋（1）彻底隔绝，以免相互贯通造成人体血漏出或人造血流失。如果怀疑管道网路有破损，可在人造血（9）中加入放射性跟踪元素，进行人体血的同位素扫描;或者通过肉眼观察乳白色人造血的颜色变化判断之。

本发明的植入方法是，对各种慢性肺部疾患已遭致呼吸衰竭者，开胸行单侧全肺叶切除手术，保留对侧相对有功能的人体肺。如果双肺病变均严重，则摘除病人的左、右全部肺叶，在双侧胸腔分别放置两个储血袋（1）。用血液或平衡盐液预先注入储血袋（1），彻底驱尽袋内的空气。然后将储血袋（1）原位植入一侧胸腔内，经挂环（4）缝合固定于胸膜上。再通过一段人造血管，把入口（2）、出口（3）分别与病人的肺动脉和肺静脉相吻合，使人体血液流经储血袋（1）进行肺循环。在连接肺动脉的人造血管内，应安置较大孔径的过滤器，以阻止回心血液中的脱落血栓进入人工肺。人造血的入口管（6）和出口管（8），通过一根双腔的聚氨酯延长管，经膈肌穿过胸腔，皮下潜行至上腹部露出皮肤表面，与体外的便携式人工肺相连。

体外人工肺由现有的滚压泵（10）、膜式氧合器（11）、贮液器（12）以及可充电直流电源构成，一体化封装于一只小型手提箱内，便于随身携带。滚压泵（10）为直流电机驱动，挤压管道推动硅胶毛细管网（5）内的人造血不断循环，可以随意调节马达转速改变人造血的流速。膜式氧合器（11）与现有技术完全一致，应尽量选择透气性能最佳的半透膜，而不考虑抗凝血问题，如微孔聚丙烯、微孔聚四氟乙烯、微孔乙基纤维素、微孔聚烷基砜等进行超薄膜涂层所构成的复合透气膜。将透气薄膜制作成长条的扁带状密封袋，袋内流通人造血。空心袋子可宽可窄，宽的可直接摺叠为风琴样式，如用窄袋子则应编织成多层网状结构。从硅胶毛细管网（5）流到体外的人造血，经过氧合袋子与膜外的周围空气进行气体交换。贮液器（12）用于储存并随时补充人造血，必要时作为鼓泡室吹入加压氧气，使人造血（9）鼓泡得到二次氧合。

参照图3具体地说，随着病人右心室和左心房的节律性博动，氧含量低的回心静脉血经肺动脉-入口（2）泵入储血袋（1）内，在众多硅胶毛细管外的网状缝隙中交错流动;并借助胸廓的呼吸起伏，带动固定于胸壁上的储血袋（1）扩张及弹性回缩，促进袋内的血液灌流，发挥“胸泵”的辅助循环作用。由于人体血在硅胶毛细管外的疏松网眼中流通，设计上保证了肺循环的低阻、低压这一生理特性，使人工肺的循环阻力总是明显低于对侧保留的人体肺，大量肺循环血液流经人工肺，从而避免病变人体肺分流较多所致的通气血流比例失调（Qs/Q_T升高）。

在心泵及胸泵的共同作用下，流经储血袋（1）的人体血呈脉冲式搏动，并不断受到混合力的振荡，在纵横交错的多层网眼中穿来流去，形成极不规则的涡流及二次流，使人体血与硅胶毛细管壁充分接触，提高血气交换率。血液中的O₂、CO₂分子依照各自的压力梯度，弥散通过众多的硅胶管半透膜，与毛细管网（5）内反向流动的人造血（9）不断进行气体交换。人造血（9）中的富氧进入人体血，O₂与红血球内的血红旦白结合，使之氧合成鲜红的动脉化血;人体血中含量较高的CO₂则同时弥散到人造血（9）。

由于硅胶毛细管网（5）完全浸泡在人体血中，O₂及CO₂分子通过硅胶半透膜，在毛细管内外的人造血与人体血之间进行液-液相气体交换，即“液体式呼吸”。故而气体不直接与人体血液接触，避免了气体栓塞、血球溶解等严重并发症。且两种液相的交界面不可能发生水份蒸发，不会在硅胶毛细管壁上凝结形成水珠膜，从而防止长期使用人工肺导致体液的大量丧失，克服因水凝膜严重妨碍血气交换能力的缺陷。

充分氧合后的人体血PO₂升高（＞10.70KPa）、PCO₂降低（＜6.00KPa），血液通过出口（3）-肺静脉回到左心房，再由左心室射入全身大循环。而携带了较多CO₂的低氧人造血（9），经出口管（8）由滚压泵（10）输送到体外的膜式氧合器（11），与周围空气再次进行气体交换，向大气中摄取O₂、排出CO₂，氧合后的富氧人造血经入口管（6）重新回到体内，在硅胶毛细管网（5）内反复循环，周而复始完成人工肺的呼吸替代功能。

鉴于自然界大气中的氧含量仅占21%，在人体耗氧量增加的情况下，体外膜式氧合器（11）从周围空气中摄取的O₂可能不够，难以维持人造血（9）的较高氧浓度。人工肺氧合不足致使动脉血氧分压下降，不能满足机体的需要。此时可附加一个小型高压氧气瓶或氧浓缩装置，将氧气引入膜式氧合器（11）或/和贮液器（12），提高人造血（9）的氧含量。更为恰当的方法是采用化学供氧法，即将较高浓度的医用过氧化氢（双氢水、H₂O₂）溶液，经贮液器（12）加入人造血（9）中。当双氢水流经体内的硅胶毛细管网（5）时，被人体血含有的过氧化氢酶迅速分解：

2H₂O₂(过氧化氢酶)/() 2[O]+2H₂O+46，200卡热

分解后产生的新生态氧[O]很活跃，立即与人体红血球中的Hb结合使之氧合。由于人体血中的过氧化氢酶分子量较大，难以透过硅胶毛细管壁发挥催化作用，为此可在人造血中加入适量的过氧化氢固相酶（即将人造的过氧化氢酶包埋“微胶囊”内制得），促使过氧化氢充分水解。浓度为3%的过氧化氢溶液，每1.0ml可释放出O₂约10ml。如果每天往人造血（9）中加入60%双氧水500ml，则可向人体提供约100升氧气，满足一般情况下全天的1/3需氧量。同时H₂O₂在分解过程中会产生较高的热量，使人造血（9）的温度升高，加速O₂及CO₂分子的弥散运动，提高血气交换率;产生的大量H₂O，可以弥补体外膜式氧合器（11）每天的水份丧失，防止长期使用造成机体脱水和人造血浓缩。双氧水作为一种医用消毒剂，本身还具有强效的杀菌作用，可以使人造血（9）保持无菌，防止人工肺感染。为了随时调节过氧化氢的加入量，可在塑料滴管上附装一个可调速输液泵，借以按需式控制双氧水的滴入速度。

为了使动脉血氧分压（PaO₂）及二氧化碳分压（PaCO₂）动态恒定，满足机体在静息或活动状态下的不同生理需要，本发明可在储血袋内接近出口（3）处，各埋藏一根去除了恒温水浴外套的Clark氏氧电极和Severinghaus氏二氧化碳电极。两根电极直接浸浴在氧合后的人体血液中，分别用于持续监测PaO₂及PaCO₂的瞬间变化，实时显示血气读数并声光报警。然后通过体外的微电脑，反馈性调节滚压泵或输液泵的转速，动态改变人造血（9）的循环流速或/和过氧化氢液的输入速度，达到自动控制的目的。例如人体在运动时耗氧量增加、PaO₂下降，此时通过加快过氧化氢的滴入速度，使人造血的氧含量上升，从而提高人体血的PaO₂。如果机体缺O₂的同时伴有CO₂潴留（即PaO₂↓、PaCO₂↑，称之为Ⅱ型呼吸衰竭），应增加滚压泵的转速，加快人造血（9）在硅胶毛细管网（5）与体外膜式氧合器（11）之间的循环，提高血气交换效率，使PaO₂升高的同时排出过多的CO₂，从而保持PaO₂、PaCO₂稳定在正常范围。如果病人的呼吸功能尚有部份代偿，保留之人体肺可以排出足够多的CO₂，血气监测仅为单纯的低氧血症，而不伴有高碳酸血症，则可用较高浓度的双氧水全部替代不断循环的人造血（9），充入硅胶毛细管网（5）后，暂时关闭入口管（6）及出口管（8），脱离体外附属的人工肺一体化手提箱，使病人短时间内完全获得身体自由。

本发明适用于因各种严重肺部疾患所致的慢性呼吸衰竭，即肺功能衰竭的病人。例如慢性支气管炎、支气管哮喘、阻塞性肺气肿、支气管扩张、慢性纤维空洞型肺结核、慢性肺脓疡、尘肺、支气管肺癌、肺结节病、弥漫性肺间质纤维化、大块肺栓塞、先天性肺发育不全等。本发明也适用于因重症肌无力、永久性高位截瘫、严重胸廓畸形等肺外原因所致的呼吸衰竭。对于各种慢性阻塞性肺病引起的肺动脉高压及肺源性心脏病，先天性心脏病继发的肺动脉高压症，或者原发性肺动脉高压症，用低循环阻力的本发明代替一侧严重病变的人体肺，大部份肺循环血液流经人工肺，还可使病人的平均肺动脉压显著下降，右心阻力负荷明显减轻，顽固的充血性心力衰竭得以纠正。

如果接受本发明植入的病人同时伴有严重的心律失常，可以在胸腔内的储血袋（1）上附装一只按需式永久起搏器，自动进行心外膜人工起搏或电复律治疗，保持心脏有规律的整齐跳动。对于同时伴有肾功能衰竭者，可在体外的人造血循环回路中串联一个空心纤维器型人工肾，进行间接的血液透析治疗。

此外，对于急性呼吸衰竭的病人，如成人呼吸窘迫综合征、急性肺水肿、大面积肺炎、急性下呼吸道梗阻或严重胸部外伤等，经现有的人工呼吸机正压通气治疗仍无效者，可选择病人的外周动脉与静脉血管穿刺置管，建立紧急的循环回路。然后将本发明的储血袋（1）临时串接于体外的血路中，利用动-静脉压力差驱使人体血在袋内自然流动，与本发明的人造血不断进行气体交换，既可迅速改善严重的低氧血症，又可避免人体血直接流经体外循环的滚动泵遭受挤压破坏，发挥体外膜氧合（ECMO）的辅助治疗作用;还可选用某一肢体或器官的动-静脉血路进行局部灌流治疗。

Claims (10)

1、一种用于医疗上永久替代人体肺呼吸功能的植入式人工肺，其特征在于一个放置到体内的弹性塑料储血袋(1)之内部，充填有数十层重叠在一起的硅胶毛细管网(5)；管网内不断流动着富氧人造血(9)，通过其密闭的管道回路，经体外的膜式氧合器(11)反复循环。可以原位植入慢性呼吸衰竭病人的胸腔内，引导肺循环血液流经储血袋(1)，在硅胶毛细管外的众多网眼中低阻力流动，使O₂及CO₂透过硅胶半透膜，与毛细管内的富氧人造血进行液膜式弥散交换。

2、如权利要求1所述的塑料储血袋（1），其特征是由外层的聚醚聚氨酯作为基膜，内衬经过明胶或肝素化处理的嵌段聚氨酯所组成的复合膜，构成一个完全密闭的塑料袋，具有良好的弹性和生物相容性。

3、如权利要求2所述的塑料储血袋（1），其特征是由挂环（4）缝合固定于胸腔内，入口（2）及出口（3）分别与病人的肺动脉和肺静脉相连，利用人体自身心脏及“胸泵”提供的动力，推动回心血液经过储血袋（1）不断循环。

4、如权利要求2或3所述的塑料储血袋（1），其特征是袋内充填数十层重叠在一起的硅胶毛细管网（5），人体血液在硅胶毛细管外的众多网眼中交错流动。

5、如权利要求1所述的硅胶毛细管网（5），其特征是由近百根硅胶毛细管纵横交叉，平行编织成上疏下密的网状结构，网眼的大小分别制成多种规格。

6、如权利要求5所述的硅胶毛细管网（5），其特征是按照网眼从大到小的顺序，将数十层同样形状的网巾重叠粘合在一起，组成一个肺循环的血液滤过器。

7、如权利要求5或6所述的硅胶毛细管网（5），其特征是静脉血液通过众多的疏松网眼低阻力流动，而人造血液在硅胶毛细管内的密闭网路中反向循环，保持人体肺循环低压力、高容量的生理特性。

8、如权利要求1所述的富氧人造血（9），其特征是注入硅胶毛细管网（5）的所有管腔内，随着人造血的循环运输O₂及CO₂。

9、如权利要求8所述的富氧人造血（9），其特征是由滚压泵（10）推动，通过其密闭的管道回路（6）～（8），在袋内的硅胶毛细管网（5）与体外的膜式氧合器（11）之间反复循环，不断进行二次气体交换。

10、如权利要求8或9所述的富氧人造血（9），其特征是经贮液器（12），在高体积比的全氟碳化合物乳剂中，按需地加入过氧化氢、过氧化氢固相酶、肝素及前列腺素E1等药物，使人造血具有很高的氧含量和抗凝血性能。

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