[发明专利]微制造的人造肺辅助装置及其使用和制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年5月26日提交的第61/348,563号美国临时专利申请的权益和优先权，出于所有目的将其内容引入本文作为参考。

政府支持

本发明是在国立卫生研究院提供的支持下完成的（基金号R21HL106585-01）；因此，政府具有本发明的某些权利。

发明领域

本发明提供了用于在充氧器装置中交换气体的系统和方法，以及制造和使用这样的充氧器装置的方法。

发明背景

急性和慢性肺部疾病影响着最广泛的患者群体之一，并且代表一些最紧急和未满足的卫生保健需要。急性肺部疾病包括与肺不完全发育有关的新生儿病症、严重感染、烧伤和其它肺部损伤、以及急性呼吸窘迫综合征（ARDS）。通常使用机械通气来治疗这些病症以在肺恢复的同时维持患者氧水平。在特护和应急装置中，通常通过通气实现充氧作用。然而，该方法需要使肺发挥作用并通常导致机械创伤或感染。

慢性肺部疾病包括慢性阻塞性肺病（COPD）、囊性纤维化（CF）、间皮瘤和肺癌。通常使用便携式氧疗法来治疗慢性充氧不足，其仍然依靠将氧通过患病的或受损的肺传输至血流，而未解决潜在的病症。也使用了药物治疗，但是有效性是有限的。

由于便携式氧疗法、机械通气和类似手段通常需要使肺发挥作用以实现充氧作用和脱二氧化碳，因此通常具有受损或患病的肺的患者几乎不能通过这些方法维持。在典型的事件发展中，由于氧水平甚至不足以维持静止的需求，因此患者对施加于他们的劳动严重受限。随着患者的肺持续衰退，其活动受限以及整体健康变得更加严重，并伴随多次急性加重和住院以及不断恶化的预兆。

在过去数十年中，已开发出更先进的肺衰竭的治疗。目前，可利用称为体外膜充氧（ECMO）的疗法来治疗患有心力衰竭和肺衰竭的患者，所述疗法可有效地绕过肺部。ECMO在新生儿和儿童中经常使用。ECMO技术中存在几种构造，包括基于中空纤维的系统、平面或平板构造、和螺旋或缠绕系统。通常，这些装置包括作为系统中央组件的充氧器，以及热交换器、气泡捕捉器、流体环路、泵和其它组件。

在ECMO中，通常通过充氧装置将血液从颈内静脉泵出，并回到颈动脉。（在该静脉-动脉回路的替代方案中，根据患者的需要，也可使用静脉-静脉回路。）更具体地，在典型的装置中，将血液从静脉供给中排出至通常由材料如PVC或聚乙烯制成的储液器、或囊状物、和管中，通向真实的ECMO泵（通常为滚子泵）。所述泵依次推动血液通过膜充氧器，将氧传输至血液中并跨膜去除二氧化碳。在一个实施方式中，膜充氧器由横跨塑料框的平坦的薄硅酮-橡胶膜形成，并通常卷成圆柱形。由于泵送过程通常导致血液温度降低，并因此通常使用热交换器维持体温。仔细地监测该系统中的血压，以及血液中氧和CO₂的水平。为了防止空气栓塞，气泡的检测通常是系统的另一个重要元素。为了避免凝血，可提供大剂量的抗凝血剂如肝素。

在一个普通的、基于纤维的充氧构造中，当氧通过纤维腔时，将血液传送至纤维束的中空纤维外。通常纤维是多孔的，因此会出现一些血浆渗漏，但是血蛋白通过物理和表面能机制迅速阻断了明显的渗漏。在一些情况下，以硅酮膜包覆纤维以防止血浆渗漏。一种旧时的技术利用在平面构造中堆叠的平板膜。这样装置的传统制造技术的限制严重限制了装置性能。例如，膜厚度、通道深度、平行通道间的间隔宽度、和歧管中的流动路径的限制共同限制了小型化和廉价地制造具有高气体传输速率的系统的能力。

ECMO回路的非生理性质也具有某些缺点。由于通过较大的腔室对血液充氧，作用于血液的流体力与肺泡毛细血管中的流体力有很大不同。这些差异可导致炎性反应，使新生儿和小儿群体的ECMO的发病率和死亡率升高。此外，异常的流动路径和血液和人造材料如PVC、聚乙烯、和硅酮橡胶之间的接触能够导致凝血的高发，除非提供大剂量的抗凝血剂。这些抗凝血剂如肝素，可以导致并发症如出血过多和电解质相关的失衡。可通过选择具有高血液相容性的材料来降低导致人造器官辅助装置系统中凝血的有害的血液表面相互作用，但是有害的相互作用通常不可避免。因此，高度需要降低的表面积。