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仿肺臟設計的微流道裝置,未來葉克膜?

玻璃肺臟模型。氣體交換仰賴大面積/體積的微結構。
玻璃肺臟模型。氣體交換仰賴大面積/體積的微結構。[email protected] CC BY-SA 2.0

輔助器官生存系統

生物體大概是世界上最好的設計品,每一個器官的存在都很精巧微妙,牽動生物整體的運作。而器官衰竭造成死亡,在臨床上有相當比例,常見在、腎等重要器官。面臨緊急狀況,輔助器官生存的系統,像是「機械式換氣設備」、「葉克膜」(extracorporeal membrane oxygenation, ECMO),就成為延續患者生命的一點希望。

肺臟氣體交換

以肺部的「急性呼吸窘迫症候群」為例,患者的肺臟可能積水,導致無法正常進行氧氣和二氧化碳的氣體交換,這時候常見的方式為給患者裝上機械式呼吸器,高壓灌入高濃度的氧氣,肺臟受傷組織卻可能沒有機會修復,有時候狀況會更差,導致肺炎。另一項選擇,可能是大家熟知的「葉克膜」,將患者血液抽出體外,經過一束有孔洞的纖維,去除血液中二氧化碳,打入氧氣,這個過程複雜,需要專業人員來進行。此外,血液一旦離開生物體,血流速度將影響血球內細胞的完整性,另外可能面臨血液凝結的危險,必須要大量給予「肝素」(heparin)抗凝血劑,若凝血塊進入腦部或者腸胃系統,將有非常大的危險性。以上的裝置,較偏向純功能性導向而設計的機器,與真實人體肺臟比較仍顯不足。那怎麼樣能設計一個仿生物系統的優良肺臟輔助生存系統呢?

仿「肺臟」的設計

肺臟提供大量的氣體交換,主要優點在於微結構的大面積/體積比例,藉由這樣的大面積,增加氣體交換速率。同時,血量是以微細血管中的小血量行進。美國麻州理工學院(MIT)的Draper實驗室致力於輔助器官生存系統的開發,針對現有系統的大血量、長路徑…等等不符合生物體原始器官構造的缺點,開發新式輔助器官生存系統,因舊式系統容易造成血球細胞破壞、凝結。現在,他們聲稱開發了一個由生物相容性聚合物製作而成,具有微小流道,可以處理高血流速率的裝置(點這裡看圖片),有機會提供肺臟氣體交換治療的另一選擇。這個裝置可說就是仿生設計,設計簡單,為多層分佈有許多微流道在表面的生物相容塑膠組成,也就是一個立體的分流結構,當血液從大管徑流入這些微流道,進行氣體交換,就好像是人體的血液流入微血管一般。這樣的設計是提供血流一個模擬肺臟運作的環境,也很有機會拿來作為「葉克膜」的核心。微流道設計提供大面積/體積比例,可承受的血流速率是其他微流道科技產品的十倍。

最近,這個研究團隊使用他們開發的裝置,成功以每分鐘10毫升(10mL/min)的速率來測試牛隻的血液。現在他們希望可以將這個設計放大,可以每分鐘處理一公升血液,同時能顧及凝血的問題。這個設計若可行,研究團隊認為比「葉克膜」安全一些,因為運作不需要血液稀釋劑,可更長期使用。

生醫人網摘 觀點

仿生物結構設計的生醫裝置,將會是醫療科技精益求精的發展方向?

文章參考:MIT Technology Review
影片來源:draperlaboratory
圖片來源:ustinpickard@Flickr  CC BY-SA 2.0

【作者簡介】 BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章要有邏輯,藉由報導、解析生醫領域的創新和應用來傳播知識。

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