[发明专利]微流控扩散装置和系统及其制造和使用方法

说明书

本文公开了卷式膜微流控扩散装置和对应的制造方法。本文还公开了三维打印的微流控装置和对应的制造方法。任选地，所公开的微流控装置能够用作人工肺装置。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年4月3日提交的美国临时申请号62/480,809的提交日期的权益。此早先提交的申请的内容特此以引用方式全文并入本文。

关于联邦资助研究的声明

本发明是在政府的支持下根据美国退伍军人事务部授予的资助号1I01RX000390-01A1、2I01RX000390-04A2、1I21RX002403-01A1和C3819C进行的。美国政府对本发明享有某些权利。

背景技术

超过3300万美国人患有慢性肺疾病；它造成每年近40万人死亡，并且是与渐长的死亡率相关联的重大疾病。急性呼吸窘迫综合征(ARDS)的死亡率为25％-40％，并且每年影响超过19万美国人。慢性阻塞性肺疾病(COPD)影响5％的美国成年人和大约16％的退伍人口。COPD是退伍军人中的第四大流行疾病，也是对VA医疗保健系统来说成本最高的疾病之一。在退伍军人中，已诊断出超过50万例作战相关的呼吸障碍，并且6.5％的海湾战争作战相关的障碍与呼吸系统相关。持久自由行动和伊拉克自由行动退伍军人曾暴露于已知会导致急性和慢性呼吸系统病症的化学物质，包括CARC涂料和铬粉。其他退伍军人则经历了因冲击伤或烟雾吸入导致的急性肺损伤和衰竭。在2001年国家退伍军人调查中，共有超过230万退伍军人报告了“肺病”。

在临床环境中，传统上使用正压通气(即，机械通气)来部分地针对由肺疾病引起的肺功能不全进行补偿。然而，高气道压力和氧浓度可导致气压伤、容积伤和生物伤，并且可加重原发疾病，甚至导致多器官衰竭。已开发出人工肺技术来提供呼吸支持，而没有通气机所致损伤的缺点。在急性病例中，人工肺提供呼吸支持，从而在患者康复的同时允许肺痊愈。在慢性病例中，人工肺可充当移植的桥梁，从而提高存活率并改进生活质量。MaquetQuadrox和Novalung iLA膜通气机代表了可商购获得的人工肺技术的最新水平。两者都具有低阻力并且可由天然心脏驱动。Quadrox近来用于流动式ECMO，其中人工肺、血泵、计算机、电池和氧气瓶安装到带轮杆以在ICU环境中提供有限的活动能力。单个Quadrox在临床上用于全身性抗凝的时间长达两个月。

尽管有进步，但人工肺系统的治疗和疗效仍不令人满意。当前的系统允许极小的流动性，并且它们的使用通常局限于ICU。使用当前技术根本不可能实现允许完全流动性的真正的便携式系统。另外，在使用当前系统治疗期间，尤其是在长期治疗的情况下，装置介导的并发症(包括炎症、装置凝结和溶血)是常见的。大多数装置的临床寿命以天为单位进行测量。最后，当前系统局限于支持静息患者的呼吸需求。因此，为了使人工肺实现它们在长期呼吸支持和更有效的短期康复两方面的潜力，必须在生物相容性、气体交换和便携性方面进行显著改进。

最近已经研究出微流控人工肺(即，包含微米级流动通道和扩散膜的人工肺)作为克服传统人工肺系统的缺点的手段。由于微流控人工肺的扩散距离减小，因此它们可达到优异的气体交换效率，从而实现减小大小的人工肺，提高便携性，并减小血液接触表面积(从而增加装置寿命并提高患者疗效)。微流控人工肺还可包含血液流动路径，其更接近地模拟天然肺中的那些血液流动路径，从而潜在地提高生物相容性并增加寿命。然而，迄今为止的所有微流控装置仅可支持人体应用所需要的血液流量的一小部分，并且当前不存在容易且有效地按比例放大其大小的手段。本文公开了可克服这一障碍从而实现第一人体尺度微流控人工肺的示例性微流控人工肺拓扑和制造方法。

发明内容