Искусственное легкое (стр. 5 из 6)
Оксигенаторы в АИК могут быть сконструированы на основании одного из 5 принципов насыщения крови кислородом:
-оксигенатор барабанный (в нем насыщение кислородом осуществляется в тонком слое жидкости, покрывающем поверхности вращающихся барабанов);
-оксигенатор мембранный (в котором насыщение жидкости осуществляется путем диффузии кислорода через полупроницаемую мембрану);
-оксигенатор пенный (в котором насыщение жидкости осуществляется путем продувания через нее кислорода);
-оксигенатор пластинчатый (в нем насыщение кислородом осуществляется в тонком слое жидкости, покрывающем поверхности вращающихся дисков);
-оксигенатор пленочный (в котором насыщение жидкости происходит при контакте ее тонкой пленки с кислородом).
5.1. Мембранные оксигенаторы.
В современных аппаратах в основном применяются мембранные оксигенаторы.
Опыт применения полимерных мембран показал, что они должны удовлетворять основным требованиям: иметь высокую газопроницаемость по кислороду и углекислому газу; обладать биологической и химической совместимостью с кровью; отличаться достаточно высокой механической прочностью и стойкостью к химическим и физическим факторам, действующим на мембрану при ее стерилизации и эксплуатации.
Максимально повысить процессы газообмена при оксигенации крови (помимо оптимизации конструкции оксигенатора) возможно за счет эффективности мембраны, которая зависит от природы полимера и ее толщины. Высокая эффективность мембраны не столько позволяет варьировать проницаемость кислорода (гемоглобин крови усваивает строго определенный его объем), сколько важна для быстрого выделения (элиминации) углекислого газа из крови. Движущей силой элиминации СО2 является небольшое парциальное давление в крови, которое не поддается произвольному регулированию извне. Следовательно, скорость выделения двуокиси углерода всецело зависит от эффективности и селективности самой мембраны.
Исследования условий использования полимеров в системах искусственного кровообращения, механизма массообмена в естественном легком и газопроницаемости полимерных мембран показали, что наиболее подходящими для оксигенаторных мембран являются материалы на основе полиорганосилоксанов. Важным является и то, что полиорганосилоксаны обладают хорошими антитромбогенными свойствами. Применение изотропных мембран из полиэтилена, производных целлюлозы и других полимеров не дало желаемых результатов по эффективной оксигенации крови вследствие их малой проницаемости.
Полимерные мембраны в оксигенаторах могут быть плоскими, сложенными в рулоны, свернутыми в спираль, в виде полого волокна или в виде тонкой жидкой пленки. Для изготовления мембран используется в основном полидиметилсилоксан, так как среди полимерных материалов он обладает наибольшей проницаемостью по кислороду и углекислому газу. Так, проницаемость полидиметилсилоксана по кислороду в 100 тысяч раз выше, чем у поливинилхлорида и в 500 раз выше, чем у полиэтилена, а по углекислому газу в 60 тысяч раз больше, чем у поливинилхлорида и в 1500 раз выше, чем у полиэтилена. К сожалению, у полидиметилсилоксана очень низкие прочностные характеристики, поэтому для упрочнения в его состав вводятся поликарбонатные, полиакрилатные и другие жесткие фрагменты, что не может не сказываться на его проницаемости.
| а)  | б)  |
| Рис. 5.1. Мембранные оксигенаторы: а – спиральный; б – капиллярный | |
Созданные в последнее время конструкции оксигенаторов на полых волокнах являются моделью, наиболее близкой к естественному легкому. В таких оксигенаторах кровь протекает внутри полого волокна, а кислород противотоком омывает волокно с внешней стороны. В организме человека кислород поступает в альвеолы, между оболочками которых расположены капилляры. Толщина оболочки альвеолы не превышает 0,1 мкм, а размеры капилляров таковы, что эритроциты проходят только по одному в ряд. Кислород из альвеол через оболочку диффундирует в капилляр, где связывается с гемоглобином эритроцитов. Общая поверхность альвеол 50–200 м2, а производительность легких человека по кислороду 15 л/мин. Возможности искусственных легких (оксигенаторов) намного скромнее: общая поверхность газообмена составляет 5–6 м2, а производительность по кислороду 100 мл/мин через 1 м2 (т. е. 0,5–0,6 л/мин). Несмотря на довольно низкую по сравнению с естественными легкими производительность, аппараты «искусственные легкие» широко используются не только в хирургии, но и в терапии ряда заболеваний – прежде всего при пневмонии, атеросклерозе, сердечнососудистой недостаточности. В этом случае в оксигенаторах получается обогащенный кислородом воздух, содержащий до 35–40 % О2, а рабочим телом мембраны являются полиорганосилоксаны.
Отечественные исследователи разработали несколько вариантов пленочных асимметричных мембран на основе винилтриметилсилана (мембрана-ПВТМС), полиарилат-полисилоксана (мембрана-Силар) и ПК-ПДМС (мембрана-Карбосил-АС). Последние были использованы в плоскостных моделях оксигенаторов.
Высокая эффективность мембран для оксигенаторов была в дальнейшем достигнута за счет использования пористых плоских и волоконных систем из гидрофобных политетрафторэтилена, полипропилена (GELGARD) и других полимеров. Технология изготовления пористых мембран связана с подбором фракций гранул полимера определенного размера и режимов их прессования, а также режимов экструзии и вытяжки образующихся пленок и волокон. Поэтому газовые потоки через пористые мембраны значительно больше, чем через сплошные, и площади газообмена в оксигенаторе меньше (1 м2 вместо 3–5 м2).
Однако, как показали последние исследования, такие мембраны имеют и ряд недостатков, связанных с их пористой структурой:
1) возможность попадания пузырьков газа в кровь, что может вызвать эффект послеоперационного невротического расстройства;
2) гидрофилизация липидами крови поверхности пор волокна и проникновение крови в поры, что приводит к ухудшению газопереноса;
3) отрицательное влияние газовых менисков в устьях пор мембраны, создающих высокое поверхностное натяжение крови.
Недостатки пористых мембран можно нивелировать путем нанесения на их поверхность односторонней, микронного уровня сплошной пленки, например, из полиарилат-полисилоксана, которая обладает высокой газопроницаемостью и хорошей гемосовместимостью. Скорость переноса кислорода для данной модифицированной мембраны в виде полого волокна из полипропилена составляет до 97%, а скорость элиминации углекислого газа – до 75% от соответствующих показателей непокрытой мембраны.
Разработки мембран асимметричной структуры для оксигенаторов в последнее время приобрели доминирующее значение, так как помимо высокой эффективности тончайший, плотный слой на основе силиконов или их сополимеров исключает опасность тромбообразования и внесения инфекции в кровь с пузырьками воздуха. На такие мембраны дополнительно может быть нанесен слой альбумин-гепаринового покрытия, прочно фиксированного на мембране, что способствует повышению оксигенации и элиминации углекислоты при внелегочном газообмене.
Технологически асимметричность структуры мембран по толщине может формироваться различными путями, например:
а) нанесением из разбавленных растворов полиорганосилоксанов на пористые подложки;
б) полимеризацией (каталитической, в потоке плазмы или радиационной) на пористых подложках силоксановых и силановых мономеров, таких как циклосилоксаны, гексаметилдисилоксан, винилметилдисилоксан, а также винилтриметилсилан, триметилсилилпропин и другие;
в) фазовоинверсионным методом из растворов силоксановых сополимеров в системе растворитель–нерастворитель.
Таблица 5.1. Проницаемость полимерных материалов, используемых в оксигенаторах