Мембрани для штучних легенів - полімери медичного призначення

Функції легких, як відомо, не обмежуються сферою газообміну, т. Е. Передачею кисню з повітря в кров і виділенням вуглекислоти. З діяльністю легких пов`язані також процес обміну речовин і механізм імунітету, але тільки одну з цих функцій - газообмін - можна «передоручити» штучним легким.
Своєю появою штучні легені зобов`язані хірургії органів грудної порожнини, коли при оперативному втручанні необхідно перекрити потік крові, припинити її доступ в легені і замість них здійснювати газообмін крові. Досить давно створені і знайшли широке клінічне застосування апарати «штучні легені» повітряно-бульбашкового, ротаційного (з круглими пластинами), гратчастої і багатьох інших типів. Найважливішим моментом є тут неможливість тривалої експлуатації апарату, пов`язана з тим, що тривалий контакт крові з повітрям призводить до різко негативних явищ типу гемолізу і денатуровані білків плазми крові. Для запобігання їх були розроблені штучні легені мембранного типу, сконструйовані таким чином, що кров вступає в контакт з повітрям за посередництвом мембрани. У штучній нирці, описуваної нижче, кров очищується від відходів метаболізму за допомогою діалізу при швидкості течії крові від 200 до 400 мл / хв, причому видалення відбувається періодично. У штучних легенів потік крові не може бути припинений навіть на кілька хвилин через безперервне засвоєння кисню і виділення вуглекислоти.
Потреба в кисні становить, як відомо, 250 мл / хв, і потік крові, що забезпечує таке насичення, повинен досягати швидкості 3-5 л / хв. Зрозуміло, що для цієї мети необхідно використовувати такі мембрани, які, крім повної сумісності з кров`ю, були б проникні для кисню і вуглекислоти. Очевидно також, що вони повинні бути хімічно стійкими, не включати розчинних домішок, не чинити негативного впливу на еритроцити, не викликати тромбозу і денатурації білка плазми крові. Крім того, поряд з хорошою технологічністю плівка повинна мати таку динамічної механічною міцністю, яка дозволила б витримувати без пошкоджень тиск крові до 1 кг / см2. Нарешті, мембрана повинна бути стійкою до дії агресивних середовищ і високої температури під час дезінфекції, наприклад, при бактерицидної обробки окисом етилену або водяною парою.

Мал. 4. Схема газообміну в природних легких.

1 - стінка альвеоли- 2 - проміжна рідина-3 - стінка капілярної трубки- 4 - плазма крові-5 - оболонка ерітроціта- 6 - ерітроціт- 7 - кровоносну капіляр легкого- 8 - альвеола.
У ті часи, коли взаємодія крові з киснем здійснювалося безпосереднім контактуванням, апарат «штучні легені» можна було використовувати тільки в ході хірургічних операцій. Тепер же, з розробкою контакту через плівку, штучні легені мембранного типу можуть бути застосовані для газообміну в разі тимчасового зниження легеневої активності, як, наприклад, при пневмонії, для відновлення функціональності і в багатьох інших напрямках. Відомо про численні випадки використання їх при реанімації. Повідомлялося, що до теперішнього часу створено мембранний апарат «штучні легені», здатний безперервно функціонувати протягом 2 тижнів.
Доцільно, мабуть, торкнутися тут деяких анатомічних відомостей, що мають відношення до всієї проблеми. Насичення крові киснем і виділення з неї вуглекислоти здійснюються в альвеолах, число яких досягає 300 млн. Кисень надходить в альвеоли по трахеї, бронхах, бронхіолах і альвеолярним трубках, потім дифундує через стінки альвеол в капіляри, де зв`язується з гемоглобіном, після чого розганяється за всіма органам і тканинам. Газообмін відбувається в оболонках альвеол- товщина їх може в деяких місцях не перевищувати порядку 0,1 мкм. Поверхня оболонок покрита фосфолипидами з білковими вкрапленіямі- основним компонентом фосфоліпідів є лецитин (фосфатізілколін). Між оболонками альвеол проходять капіляри (рис. 4 і табл. 7).

Таблиця 7. Порівняння штучних легенів з природними людські легені

Як матеріал для штучних легенів найкращими є силікони, які по пропускання кисню і вуглекислого газу перевершують всі синтетичні полімери, отримані до теперішнього часу (табл. 8). До негативних властивостей силіконів відноситься явно недостатня міцність на разрив- широкі дослідження, спрямовані на подолання цього моменту, тривають. До числа новітніх досягнень відносяться створення і випробування високопористих мембран з поліпропілену і тефлону. Основні труднощі тут полягають в тому, що недостатню механічну міцність плівок вдається подолати тільки за рахунок збільшення їх товщини, а цей захід в кінцевому рахунку веде до різкого зниження газопроникності, яке в свою чергу викликає необхідність збільшення ефективної площі мембрани.

Таблиця 8. Проникність полімерних плівок по відношенню до кисню і вуглекислого газу (см3 / м2-атом * добу)

Примітка. Товщина плівок зразків перерахована на 25 мкм.

Таблиця 9. Характеристики деяких полімерних плівок, використовуваних в штучних легенів

Примітка. У дужках показана товщина мембранної частини (мкм).
Якщо погіршується проникність мембрани для штучної нирки, існують два стратегічних шляхи подолання цього моменту: або подовжити термін діалізу, або збільшити площу активної поверхні мембрани. Якщо ж це відноситься до плівок для штучних легенів, то можливі полімери тільки в одному напрямку, а саме шляхом, збільшення площі мембрани. Таким чином, розробки, спрямовані на підвищення газопроникності плівок, набувають чільну роль і повинні бути всіляко прискорені.
В процесі газообміну, що протікає в плівкових субстанціях живого організму, рух еритроцитів по капілярах в. оболонках альвеол відбувається в один ряд, тоді як в штучних легенів еритроцити утворюють при русі цілі верстви, а це веде до різкого зниження ефективності всього газообмінні процесу. Фактором, що лімітує швидкість газообміну в сучасних штучних легенів, є опір, який чиниться прикордонної плівкою крові. Щоб знизити цей опір або, що одне і те ж, зменшити товщину такої плівки, існують два шляхи: або створити на поверхні плівки вторинний турбулентний потік, або досягти такого положення, щоб в мембранах, так само добре сумісних з кров`ю, як стінки капілярів, еритроцити переміщалися, утворюючи моношар (табл. 9, 10).

Таблиця 10. Швидкість перенесення газу в кров при використанні штучних легенів

Примітки:
* АР0 = 30 мм рт. ст.
** ДР0 = 730 мм рт. ст.
*** При опорі прикордонної плівки крові.
Синтетичним полімерним матеріалом, вперше використаним при створенні штучних легенів мембранного типу, не була силікон, а тефлон. Це пояснювалося тим, що при більш низькій газопроницаемости він набагато більш технологічні силікону і з нього вдалося отримати такі мембрани, які для того часу виявилися найкращими, бо поряд з доступністю володіли виключно хорошою сумісністю з кров`ю.
На початку 1960-х років були проведені перші експерименти з використання силіконів в композиціях з армуючими матеріалами - спочатку з мікродісперсний кремнеземом, потім з поліефіру, поліамідами і зі скловолокном. Була розроблена ціла гама наповнених силіконових мембран з хорошою газової проникністю. Фірмою «Дженерал електрик» була проведена серія науково-дослідних робіт, мета яких полягала в тому, щоб підвищити міцність силіконів, не знижуючи при цьому їх газопроникності. В результаті був створений новий матеріал, що представляє собою блоксополимерами полидиметилсилоксана з полікарбонатом (полімер XD- МЕМ-213). Дієвість хімізму тут зводиться до того, що в механізмі внутримолекулярного армування силікону полікарбонатні блоки забезпечують міцність, а полідіметілсілоксановие ділянки зберігають газопроникність. З такого матеріалу вдалося отримати досить тонкі мембрани
цілком задовільною механічної міцності. Правда, газопроникність їх виявилася значно нижче, ніж у силіконових плівок, проте в загальному, виходячи з даних, наведених в табл. 11, можна говорити, що з точки зору спеціально медичної функціональності розбіжності невеликі: у всякому разі, вони не принципові.
В даний час фірма «Дженерал електрик» експериментує в області технології формування порожнистих волокон з нового матеріалу МЕМ-213 і розробляє штучні легені на їх основі. Разом з тим не припиняються і паралельні дослідження по модифікації силіконових мембран, зокрема, шляхом гомогенного диспергирования в силіконі мікродісперсіі двоокису кремнію в поєднанні з широким варіюванням умов вулканізації та іншими експериментами. В результаті всіх робіт фірмі вдалося наблизитися до завершальної стадії створення вельми тонкої плівки, через яку просочування крові виключено.

Таблиця 11. Газопроникність блоккополімерів полідиметилсилоксан-полікарбонатного ряду (газ - газ-шар крові товщиною 100 мкм)

ДРо2 = 760 мм рт. ст.- ДРсо2 = 40 мм рт. ст. У крові: Do2 = 3,28 * 10-5- Dco2 = 82-10-5:
* Милий - одиниця виміру, рівна 0,001 дюйма.

Таблиця 12. Газопроникність плівок на основі полі-4-метилпентен-1

Відомо, що газопроникність полімерів дуже невелика, проте розроблені і практикуються способи виробництва полімерних плівок, здатних пропускати гази. Методика способів або заснована на диспергування в високомолекулярному речовині газопроницаемой рідкої субстанції, або зводиться до отримання високопористих матеріалів. Так, наприклад, розроблена технологія виробництва порожніх волокон, згідно з якою в полі-4-метілпентене-1 диспергируют поліпентеновое або силіконове масло у вигляді порошку з розмірами зерен 0,2-0,3 мкм (табл. 12). Характерно, що на поверхні мембрани наповнює масло відсутній і небезпека інфільтрації його в кров виключена. Інша технологічна схема пов`язана зі створенням високопористих матеріалів, до яких відносяться, наприклад, губчасті поліпропілен і тефлон (див. Табл. 9).
Існують мембрани, які, будучи мікропористими, мають на поверхні контакту з кров`ю найтонший шар, щільно прилягає до рельєфу мембрани і повторює всі його вигини і нерівності. Чи не торкаючись таких мембран, відзначимо, що практикується і такий метод, за яким на поверхню мікропористої мембрани наносять при розтягуванні сумісну з кров`ю плівку, яка має велику газопроницаемостью (див. Табл. 10). Дана методика обумовлена тим, що використання пористих мембран, незважаючи на виняткову хорошу їх проникність для парів води, в тій чи іншій мірі (залежно від розмірів пор) загрожує небезпекою тромбозу або внесення інфекції бульбашками повітря.
Дуже вдалим матеріалом для формування газопроникних мембран, сумісних з кров`ю, виявилися поліалкілсульфони, синтезовані сополимеризацией а-олефінів з S02. Полімери цього ряду є термопластичні смоли, що володіють сприятливим комплексом властивостей - економічною доступністю, хорошою розчинність, високою технологічностью- з них легко формуються як плоскі плівки, так і порожнисті волокна. За сучасними поглядами, хороша газопроникність поліалкілсульфонових мембран обумовлена, по-перше, внутрішньомолекулярними переміщеннями бічних ланцюгів, по-друге, розширенням відстаней між головними макромолекулярних ланцюгами під дією бічних, по-третє, тим, що основні ланцюги набувають рухливість, а полярність груп S02 під впливом бічних ланцюгів знижується-мабуть, грають роль і деякі інші фактори.

Дані, наведені в табл. 13, можна поділити в такий спосіб. Якщо число атомів вуглецю в бічних ланцюгах не перевищує 16, дія їх направлено на збільшення газопроникності, в разі ж С з бічні ланцюга утворюють кристалічні ділянки, або діють так, що міцність мембран зростає, але газопроникність починає знижуватися. Мембрани, сформовані з алкілсульфонового гомополимера, мають мале відносне подовження і деякі інші низькі механічні показники, тому, ґрунтуючись на матеріалах, наведених в табл. 9 і 10, цілком логічно припустити, що всі переваги цього матеріалу можуть бути реалізовані в повній мірі при використанні його у вигляді покриття на високопористих плівках.
Таблиця 13. Газопроникність поліалкілсульфонов

Торкаючись можливості використання перфторбутілата етил-целюлози, треба відзначити, що гомогенні мембрани з нього погано пропускають кисень і вуглекислий газ: проникність їх становить лише близько 1/10 дифузійної силіконових мембран (див. Табл. 9, 10). Разом з тим з розчину цього полімеру досить легко формуються плівки, і в даний час йдуть інтенсивні роботи, спрямовані на реалізацію зазначеного властивості в області створення мембран для штучних легенів методом нанесення полімеру на пористу плівку або на неткане полотно.
Слід виділити одну особливість, характерну для апаратів «штучні легені». Вона полягає в тому, що навіть при використанні мембран з низькою кисневої проникністю незалежно від того, подається в апарат чистий кисень, повітря або кисень під тиском, в будь-якому випадку в кров надходитиме лише заданий, строго необхідний обсяг кисню. Що ж стосується виділення вуглекислого газу, то тут рушійною силою є його парціальний тиск в крові. Довільно варіювати цей параметр ми не в змозі, а тому в даному випадку залишається сподіватися тільки на проникність мембран.

Мал. 5. Апарати «Штучні легені».
а - модель Lande - Edwards: вгорі - зовнішній вигляд апарата, внизу - фрагменти внутрішнього устройства- б - модель Колобова- кров проходить між мембранамі- кисень «омиває» внутрішню порожнина існує модель і з протилежного динамічної картіной- в - апарат, який діє на порожнистих волокнах.
1-венозна кров- 2-артеріальна кров- 3 - пластинка-тримач для мембрани- 4 -, газо- 5 - кров- 6 - мембрана- 7 - кров, насичена кіслородом- 8 - силіконова мембрана- 9 - поліетиленова подложка- 10 - край сітки- 11 - венозна кров- 12 - всасиваніе- 13 - вихід кіслорода- 14 - кров, насичена кіслородом- 15 -твердих силіконовий полімер 16 - всмоктування при 200 мм рт. ст.- 17 - кисень (тиск задано) - 18 - венозна кров- 19 - кров.
До теперішнього часу вже розроблені конструктивні різновиди апарату «штучні легені»: типу сендвіча з використанням плоских мембран, спірального типу, а також апарат, дія якого заснована на застосуванні порожнистих волокон. Необхідно підкреслити, що, якою б з цих апаратів ні експлуатувався, все розробки і удосконалення переслідують дві принципові мети: всебічно поліпшити потік крові і звести до мінімуму опір прикордонної плівки крові. Деякі результати зусиль в цих напрямках відображаються даними, наведеними в табл. 14 і на рис. 5.
Таблиця 14. Сучасні мембранні апарати «штучні легені»

Відео: Вчені Сіверська створили матеріал, який відновлює кістки людини