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救治危重患者的“人工肺”核心材料PMP膜:自主,有多难?
澳门新葡萄京娱乐网站 / 时间:2020-06-22 00:22:35

中化新网6月20日讯:救命的“人工肺”―ECMO ECMO即体外膜肺氧合治疗仪,俗称“人工肺”,在抗击新冠肺炎疫情中屡次“临危受命”救治危重病患者而被公众所知晓。

新冠病毒,攻击的是肺泡细胞,导致肺部丧失换气功能,患者无法呼吸。ECMO的主要工作原理就是将患者的静脉血引流至体外,经过ECMO循环后,排出二氧化碳、补充氧气,将非氧合血氧合成氧合血,然后通过导管输回人体,同时具备辅助血液循环和呼吸两种功能,起到替代正常心肺功能的机器。这种机器对重症心肺功能衰竭患者提供持续的体外呼吸与循环,为治疗重症患者争取更多的时间,不致于因严重缺氧或CO2潴留而死亡。ECMO是目前针对严重心肺功能衰竭最核心的支持手段,也誉称为重症患者的“最后救命稻草”、“黄金武器”。

ECMO工作原理图

当ECMO仪器启动,离心泵运转,暗红色的血液从股静脉引出,然后经过膜肺氧合,转变为鲜红色的血液再从颈内静脉回到患者的体内,接着开始下调呼吸机的条件,患者的氧合得到明显改善。

核心材料PMP膜独家垄断

膜肺是ECMO系统的核心部件,承担血液氧合功能,其内部由中空微孔纤维膜丝构成,系统运行时,血液流经中空纤维膜的外表面, 氧气则从中空纤维膜的内腔流过,通过扩散作用,氧气进入血液,血液中的CO2进入中空纤维膜内腔随氧气一起被带走,替代肺功能,这就要求膜肺材料既拥有很好的透气性能,又能实现长效疏水,以满足临床中持续运行数周甚至数月的要求。

膜肺的材料经历了第一代材料固体硅胶膜、第二代材料微孔中空纤维膜以及第三代材料PMP(聚4-甲基1-戊烯)中空纤维膜,三代膜肺材料的发展逐步提高了临床的使用效果,一代固体硅胶膜具有相容性好,血浆渗漏少的优点,但排气困难、预充量大、跨膜压差大,随后二代微孔中空纤维膜的出现解决了排气困难的问题,但由于有微孔,血浆渗漏可能性较高,使氧合能力下降,目前主要使用的第三代PMP中空纤维膜结合了第一代和第二代膜肺材料的优点,PMP膜被公认为膜肺最优介质,PMP是由丙烯二聚制取的4-甲基-1-戊烯(4MP1)为单体聚合而成,PMP膜对氧气和氮气的渗透系数高,氧气通量大,是PE的10倍左右,在所有聚合物中居前列,还具有低溶出及生物安全性等特性,增加了血液相和气相分离度,克服了血浆渗漏的问题,有效延长了 ECMO 的临床使用时间。

PMP与其他材料氧气透过率比较

目前,PMP膜全球只有 3M公司旗下的 Membrana 公司能独家供应,因其产能紧张,导致下游 ECMO 企业产能受限,而且且因其供应垄断、价格垄断,导致价格居高不下,制约着国内不能自主生产ECMO,全部依赖进口,新冠肺炎疫情爆发后,国内特别是湖北危重症患者不断增加,“人工肺”需求越来越高,而全国一共也就有400台左右,2月27日,中央应对新冠肺炎疫情工作领导小组从全国调集ECMO等设备支援湖北。2月27日, 16台进口的ECMO从德国法兰克福紧急运到了湖北武汉,满足武汉前方的使用,而且ECMO开机5万元起步,使用中每天还需要花费2万,耗材中最费钱的也是膜肺,即膜肺材料PMP中空纤维膜。

整体上看,ECMO目前在国内每年的使用量虽只有小几千例,但增速较可观,2017年-2018年增速为38%,叠加因疫情产生的需求,今后会有更大的增速。

PMP膜性能特殊 在膜中制造难度大

PMP膜工作原理简单,但是制膜却有很大的难度,PMP晶区、非晶区密度一样,而且成孔尺度很小,结晶规律不一样,晶区不规则,晶粒尺寸、形态比较特殊,透过组分不能透过结晶区,成膜拉伸成孔要在非晶区,在工艺控制、成膜、拉伸成孔控制起来,比聚乙烯、聚丙烯都难控制,采用干法成膜拉伸成孔不好控制,孔径大,不规则,据记者调查,国内能采用干法能将PMP拉伸成膜,但是不能成孔,主要用于线路板、电池隔膜等工业领域。ECMO 膜肺的PMP中空微孔纤维膜为渗透膜,要求成孔尺寸小,而且均匀,PMP干法成膜即便多极拉伸达到这个要求,还有很大距离,难度很大。而湿法成膜容易实现产业化,湿法加溶剂,溶剂挥发后,还要二次拉伸成孔,湿法成膜溶剂相分离比较均匀,孔径好控制,尺寸也小,但是湿法难度在于相分离过程要控制好条件,成孔刚合适,还要控制好拉伸工艺。

溶剂对PMP膜结晶度、膜分离系数、膜通量都有影响,溶剂的品种和浓度,非溶剂的品种和用量,冷凝液、萃取液的种类,干燥和热定型处理的条件等,任何一个条件变化,膜的气体渗透性能和选择性能都会发生变化。更大的难度是如何通过控制相分离法中成膜液的浓度、添加剂的含量、蒸发时间的长短,拉伸法中拉伸的比率、热处理的温度和时间,精确地控制最终膜的结构。

即便这样,采用湿法制取的PMP膜还并不能直接应用于ECMO膜肺中,因为血液中的 CO2大部分以 HCO3形式存在, 因此,血液中CO2的清除效率将由 HCO3的水解速率决定,还要对膜表面进行改性,碳酸酐酶能高效催化HCO3的水解,采用水等离子处理技术将羟基引入的 PMP 表面, 再以溴化为偶联剂, 将碳酸酐酶共价接枝在 PMP 表面, 以提高其清除血液中CO2的能力,因此,PMP膜作需要材料、化学等多学科专业联动,需要各种专业技术的整合,只要是整合就变成了技术流程管理问题,这就一定比技术问题更复杂。

本刊编者按:救死扶伤,众生所望,同业当自强!

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