人工肺：可穿戴設備里的黑科技

李和昌

肺臟異常復雜

為了研發人工肺，一些研究小組轉向再生醫學領域，指望依靠細胞培養。這些研究小組設想提取死者的肺臟，用一種特殊“洗滌液”除去上面的所有細胞，只保留組成肺基質的蛋白質。隨后置入培育箱，用各種人類肺細胞逐漸覆蓋肺基質。 2010年，美國馬薩諸塞州綜合醫院、麻省綜合醫院和哈佛大學醫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，相關技術還有待改進。

肌肉是能收縮的人體組織，由胚胎的中胚層發育而來。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。要在實驗室研發出如此緊湊而又精巧的器官，著實不易。目前，研發可植入患者胸腔的人工肺還不在考慮范圍內。科研人員在專心設計能幫助患者“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年內進行，國外一些研究小組已經在研發或者完善樣機。

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肺病患者的生命。那將是一場真正的醫學革命，也是一個非常大膽的研究項目。人工心臟的主要難題，是研發出使血液在體內循環的泵。而對于人工肺，除了泵，還要研發出能夠將氧氣轉換為二氧化碳的氣體交換系統，并且必須對于患者既有效又安全。

研發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院外正常生活，這個想法現在看來有可能實現。相關研究已經取得了一定成果，即便出于商業競爭的原因，大多仍處于保密狀態。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患者帶來了希望。在人工肺的研發上，工業工程學技術毫無用武之地。因為，無論是汽車制造還是能源生產，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域的問題。

目標：小點，再小點

其實，有一種體外人工肺已經存在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，實現血液和富氧空氣之間的氣體交換，從而部分再現了肺泡的工作。

然而，從醫學角度看，該設備并不完善。由于體積龐大，患者必須住院。另外，設備會損害血細胞，促使凝血產生，從而增加血栓形成的風險，出現堵塞薄膜的成分，致使設備使用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癥。因此大多數研究小組寄希望于微流體技術，即在微觀尺寸下控制流體的學科。科研人員設想，運用該研究領域飛速發展的知識和技術，研發新型薄膜，也就是微流體薄膜。現在，研究人員已經取得了非常鼓舞人心的初步研究結果！與現有的纖維氧合器相比，微流體系統能夠更為精確地模擬人體血管系統，而且管道直徑僅幾微米，更加纖細，現在接近0.25毫米的氣體輸送膜也更薄。因此，可以設計出更小的人工肺，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。他們制出的原型產品僅重20克，由可透氣人造硅血管構成，血管的直徑小于12微米，只有一根頭發的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，免得被他人剽竊。