Физики создали внешние искусственные легкие для новорожденных

Группа ученых из Канады и Германии создала внешние искусственные легкие для новорожденных, родившихся с проблемами дыхательной системы. Новые внешние легкие представляют собой систему микроканалов, состоящую из двухсторонних пористых мембран, обогащающих протекающую через них кровь кислородом. Кровь по таким каналам течет самостоятельно, что является огромным плюсом и помогает избежать множества проблем, связанных с внешними насосами, сообщается в статье в Biomicrofluidics.

Респираторный дистресс-синдром (РДС) проявляется у примерно 60 процентов новорожденных при 28-недельной гестации, у 15–20 процентах при сроке 32-36 недель. При этом из-за того, что легкие — один из органов, развивающихся в конце беременности, преждевременно рожденные младенцы при РДС нуждаются в дополнительной внешней помощи для насыщения крови кислородом, пока их собственные легкие не смогут полностью выполнять свои функции самостоятельно. При этом бывают случаи, когда механической вентиляции легких недостаточно, и врачи вынужденны обогащать кровь кислородом напрямую. В таких случаях приходится прогонять кровь младенца через специальные мембранные системы, в которых происходит насыщение крови кислородом.

Но, в отличие от взрослых, у новорожденных детей объем крови обычно не превышает 400–500 миллилитров, а значит, чтобы избежать чрезмерного разведения крови и понижения гематокрита, опасно использовать более 30–40 миллилитров крови для оксигенации вне тела. Этот факт ограничивает время, которое единица крови может проводить вне организма, то есть процесс оксигенации должен происходить достаточно быстро. Кроме того, для избежания перепадов давления, которые происходят при использовании перфузионного насоса и могут повредить клетки крови, в идеале движение крови через мембранную систему должно обеспечивать сердце. И, хоть это и не критично, но было бы хорошо, чтобы мембраны могли обогащать кровь кислородом, используя для этого обычный воздух, а не специально приготовленную смесь газов или чистый кислород.

Все эти требования ученые попытались удовлетворить, использовав концепцию искусственной плаценты. Она подразумевает обмен газами между кровью и внешним источником, не смешивая при этом кровь младенца с другими жидкостями (лишь добавив в нее солевой раствор для поддержания количества циркулирующей в кровеносных сосудах жидкости). При этом, поскольку объем крови вне организма должен не превышать 30 миллилитров, необходимо создать структуру, в которой при фиксированном объеме площадь соприкосновения крови с газообменной мембраной максимальна. Проще всего это сделать, заполнив кровью параллелепипед с очень маленькой высотой, однако такая структура будет очень неустойчива. Именно тот факт, что конструкция должна быть тонкой, но при этом прочной, а также изготовленной из пористых материалов и накладывал основные ограничения на создание искусственных легких.

Для эффективного газообмена ученые разместили две квадратные (43×43 миллиметра) пористые полидиметилсилоксановые мембраны параллельно друг-другу, расположив между ними сеть из квадратных колонн со стороной в миллиметр, образовав множество прямых, перпендикулярных друг-другу каналов, по которым течет кровь. Кроме механического удерживания мембран, эти колонны также способствовали перемешиванию крови, делая ее более однородной по составу во всей системе. Также, для достаточной устойчивости конструкции, отсутствия деформаций во время работы и уменьшения влияния дефектов, одна из мембран должна быть достаточно толстой, чтобы обеспечить прочность структуры, но в то же время достаточно тонкой для того, чтобы через нее мог происходить газообмен. Для уменьшения толщины полидиметилсилоксанового слоя, не теряя при этом в механических свойствах, исследователи вставили в него сеть из полосок армированной стали.

По утверждениям ученых, они первыми создали устройство, которое работает в условиях, удовлетворяющее всем необходимым анатомическим требованиям. Созданные ранее другими группами ученых либо работают при слишком больших давлениях, либо с слишком большим объемом крови вне организма. В дальнейшем группа планирует протестировать для схожих геометрий другие материалы, а также, возможно, попробовать изменить геометрию каналов, чтобы уменьшить перепад давления между выходом и входом, снизив нагрузку на организм ребенка.

Александр Чепилко