用于提高血液与气体交换效率的3D膜微结构

《Advanced Science》：3D Membrane Microstructures for Increased Efficiency in Blood-Gas Transfer

本文提出了一种基于三重周期极小曲面（TPMS）的三维微孔膜氧合器设计，通过结合3D打印和涂层工艺，成功制造出具有临床相关尺寸的膜结构。实验表明，该3D结构在相同压力降下氧气和二氧化碳的传质效率分别比传统 hollow fiber membrane（HFM）高51%和33%，且压力降降低一个数量级，同时显著改善血液流场分布，减少溶血和血栓风险。研究结果为ECMO设备的小型化和高效化提供了新方案，并适用于生物反应器等传质设备。

　　在临床医学中，严重肺部疾病，如慢性阻塞性肺病（COPD），已成为全球第三大死亡原因，影响着约3亿人，且这一数字预计到2050年将增长至6亿。尽管现代医院提供了多种治疗手段，但在某些情况下，如病情恶化时，传统的机械通气可能不足以维持患者生命，此时就需要依赖一种称为体外膜肺氧合（ECMO）的疗法。ECMO通过将患者的血液引出体外，经过氧合器进行气体交换后重新输入体内，为患者提供额外的呼吸和循环支持。然而，目前的ECMO设备依赖于空心纤维膜氧合器（HFM），其设计已有超过50年的历史，创新空间有限。HFM的气体流动方式虽然有效，但其非生理性的血流模式可能导致血流停滞、不均匀分布以及高剪切力，从而增加血栓形成的风险。此外，HFM氧合器的高压力损失也使得血液在体外循环中受到损伤，而与血液接触的大量异物表面则可能引发全身性炎症反应。ECMO的临床死亡率仍然高达50%，这促使研究人员探索新一代的膜技术，以改善血流动力学、减少血栓风险并提高气体交换效率。

为了解决这些问题，研究团队提出了一种基于三重周期性极小曲面（TPMS）的三维微结构氧合器设计，并成功开发了一种混合制造工艺，结合了高分辨率3D打印与浸涂-旋转涂层技术。这种方法不仅能够实现微米级的膜厚度，还能够在保持整体结构完整性的同时，制造出符合临床需求的复杂三维流道结构。制造出的氧合器模块尺寸为24 mm×24 mm×28 mm，具有14,745 mm2的血液接触面积，其中部分区域由于密封过程中的硅胶渗入而受到一定影响。通过这种技术，研究人员成功制造了具备TPMS结构的氧合器，并在体外测试中评估了其性能表现。

体外测试结果显示，TPMS结构的氧合器在气体交换效率方面表现出一定的优势。对于氧气，其气体交换系数分别达到HFM的61%、58%和48%，对应不同血流速度的测试条件。而对于二氧化碳，TPMS结构的气体交换系数在41%至65%之间，同样优于HFM。此外，TPMS结构的单位长度压降显著低于HFM，例如在250 mL/min的血流速度下，TPMS的压降仅为0.09 mmHg/mm，而HFM则达到1.44 mmHg/mm，相差超过一个数量级。这一结果表明，TPMS结构能够以更小的压降实现更高效的气体交换，从而减少对血液泵的依赖，降低机械性血液损伤的风险。

进一步的分析表明，TPMS结构的气体传输效率（通过面积优良因子衡量）比HFM高出了43%至55%的范围，对氧气而言，以及6%至76%的范围，对二氧化碳而言。这些结果证明了TPMS结构在气体交换方面的潜力，尤其是在降低血液与异物接触面积和改善血流分布方面。值得注意的是，虽然TPMS结构的气体交换效率尚未达到HFM的最高水平，但其显著降低的压降和更高的血流均匀性，为未来的优化和应用提供了重要的方向。

研究还指出，TPMS结构在减少血栓风险方面具有潜在优势。由于其微观流道设计，血液在TPMS结构中的剪切力分布更为均匀，避免了HFM中可能出现的高剪切力区域，从而降低了血小板激活和血栓形成的概率。同时，TPMS结构的流道宽度和膜厚度均被控制在微米级别，进一步缩短了气体扩散距离，提高了气体交换效率。这种结构设计在血液动力学方面表现出色，能够减少血液与膜的接触面积，从而降低炎症反应。

在制造方面，研究团队采用了3D打印和浸涂-旋转涂层相结合的工艺，实现了TPMS结构的高精度制造。通过调整涂层溶液的粘度、离心速度以及涂层层数，研究人员能够优化制造参数，减少缺陷并提高膜结构的完整性。此外，该方法还可以灵活应用于不同尺寸的TPMS结构，为未来开发更小型化的氧合器提供了可能性。尽管目前制造的TPMS结构仍存在一些缺陷，如部分流道堵塞或泄漏，但这些问题在进一步优化后有望得到解决。

为了验证TPMS结构的临床适用性，研究人员将该技术与现有的微流控人工肺（MAL）和HFM氧合器进行了比较。结果显示，尽管TPMS结构在气体交换速率方面略逊于部分MAL，但其压降显著更低，这为减少ECMO的侵入性提供了可能。此外，TPMS结构的面积优良因子表明，其在相同压降条件下，能够实现更高的气体交换效率，这为未来改进ECMO治疗效果奠定了基础。

研究还强调了TPMS结构在其他生物医学应用中的潜力。例如，在生物反应器或微流控细胞培养等需要高效质量传递的场景中，这种三维结构同样具有优势。通过优化制造工艺，未来可以将TPMS结构应用于更多领域，提高膜技术的通用性和适应性。

在实验设计方面，研究人员使用了体外测试方法，包括血气分析、压降测量以及气体交换效率的计算。通过比较不同血流速度下的气体交换速率，他们验证了TPMS结构在不同操作条件下的性能表现。此外，他们还利用计算机流体动力学（CFD）模拟进一步分析了血液流动和气体交换的动态过程，为优化设计提供了理论支持。

在统计分析方面，研究人员采用了MATLAB进行数据处理，确保实验结果的可靠性和显著性。所有测试数据均经过显著性检验，验证了TPMS结构在气体交换和压降方面的性能差异。研究团队还指出，TPMS结构的面积优良因子具有一定的尺度独立性，这为未来在不同尺寸的氧合器中应用该技术提供了理论依据。

综上所述，这项研究展示了基于TPMS结构的三维膜氧合器在气体交换效率和压降方面的潜力，同时提出了优化制造工艺和结构设计的方法。这些成果不仅为ECMO技术的改进提供了新思路，也为其他需要高效质量传递的生物医学应用提供了参考。未来的研究将进一步探索如何在更小的尺度上制造TPMS结构，并将其应用于实际临床环境中，以提高ECMO治疗的安全性和有效性。