人工肺：可穿戴设备里的黑科技

李和昌

肺脏异常复杂

为了研发人工肺，一些研究小组转向再生医学领域，指望依靠细胞培养。这些研究小组设想提取死者的肺脏，用一种特殊“洗涤液”除去上面的所有细胞，只保留组成肺基质的蛋白质。随后置入培育箱，用各种人类肺细胞逐渐覆盖肺基质。 2010年，美国马萨诸塞州综合医院、麻省综合医院和哈佛大学医学院的科研人员采用这一思路成功培育出小鼠的人工肺。不过，该人工肺仅仅工作了2小时，相关技术还有待改进。

肌肉是能收缩的人体组织，由胚胎的中胚层发育而来。肌肉细胞有收缩纤维，会在细胞间移动并改变细胞的大小。确切地说肺是没有肌肉的。肺脏不停地吸气和呼气。没有肺脏不间断地工作，就不能使氧气注入血液，并排出其中的二氧化碳。肺脏里面有6亿到8亿个肺泡，展开面积高达130平方米。肺泡负责保障维持生命所必需的气体交换。要在实验室研发出如此紧凑而又精巧的器官，着实不易。目前，研发可植入患者胸腔的人工肺还不在考虑范围内。科研人员在专心设计能帮助患者“呼吸”的穿戴式体外人工肺，或可别在腰带上，或可置于背包中，或可挂在头颈上。此类人工肺的第一阶段试验有望在5年内进行，国外一些研究小组已经在研发或者完善样机。

穿戴式人工肺

有朝一日，呼吸衰竭、心肺功能严重受损的患者再也不用住院了，患者带上穿戴式人工肺可以离开医院、参加自己喜欢的活动。吸进空气、排出二氧化碳的穿戴式人工肺或能够挽救无数肺病患者的生命。那将是一场真正的医学革命，也是一个非常大胆的研究项目。人工心脏的主要难题，是研发出使血液在体内循环的泵。而对于人工肺，除了泵，还要研发出能够将氧气转换为二氧化碳的气体交换系统，并且必须对于患者既有效又安全。

研发小型自主生物动力人工肺，使需要移植肺脏和不具备移植条件的患者能够在医院外正常生活，这个想法现在看来有可能实现。相关研究已经取得了一定成果，即便出于商业竞争的原因，大多仍处于保密状态。此外，2013年进行了全球首颗全人工心脏移植，这些进展给因疾病导致肺脏严重受损的无数患者带来了希望。在人工肺的研发上，工业工程学技术毫无用武之地。因为，无论是汽车制造还是能源生产，都用不到类似机制。液体中气体的单向交换完全是一个只存在于生物学领域的问题。

目标：小点，再小点

其实，有一种体外人工肺已经存在40多年。它的名称是体外薄膜肺氧合机。多年来用于对严重呼吸和心脏功能不全的危重患者进行有效的呼吸循环支持。 体外薄膜肺氧合机的外形好似冷冻机，重量近40千克。它将患者的血液引出体外，输入氧气并且排出二氧化碳，然后将其重新注入患者血管。氧合机通过中空纤维组成的薄膜，实现血液和富氧空气之间的气体交换，从而部分再现了肺泡的工作。

然而，从医学角度看，该设备并不完善。由于体积庞大，患者必须住院。另外，设备会损害血细胞，促使凝血产生，从而增加血栓形成的风险，出现堵塞薄膜的成分，致使设备使用20天左右性能便会开始下降。

更精确地模拟呼吸

科研人员认为，最大的挑战是使人工肺小型化，并且避免体外薄膜肺氧合机导致的并发症。因此大多数研究小组寄希望于微流体技术，即在微观尺寸下控制流体的学科。科研人员设想，运用该研究领域飞速发展的知识和技术，研发新型薄膜，也就是微流体薄膜。现在，研究人员已经取得了非常鼓舞人心的初步研究结果！与现有的纤维氧合器相比，微流体系统能够更为精确地模拟人体血管系统，而且管道直径仅几微米，更加纤细，现在接近0.25毫米的气体输送膜也更薄。因此，可以设计出更小的人工肺，降低凝血倾向，改善气体输送效率。

美国密歇根大学的研究小组研发出的微流体膜，其换气效率在当下名列前茅。他们制出的原型产品仅重20克，由可透气人造硅血管构成，血管的直径小于12微米，只有一根头发的1/4。猪血试验显示，微流体膜的氧气交换率是体外薄膜肺氧合机的3～5倍。这样，便可以使用普通空气来替代纯氧，使患者最终摆脱至今无法离身的笨重的氧气瓶！

人工肺的小型化问题正在解决之中。另外一个挑战则涉及将人工肺与患者相连接的插管。对此，应当避免患者走动时插管发生移动，并控制感染风险。最后，还必须确保人工肺的安全性和耐用性。目前，由于各研究团队之间竞争激烈，很难了解到更多的信息。因为他们都不愿过早披露自己的技术，免得被他人剽窃。