醫械創新資訊
西安交通大學第一附屬醫院8日公布，該院與四川大學國家生物醫學材料工程技術研究中心、西安交通大學機械學院聯合研發的體外膜肺氧合設備（ECMO）在國內率先進入臨床階段。
ECMO可對重癥心肺功能衰竭患者提供持續的體外呼吸與循環，為搶救贏得寶貴時間。新冠肺炎疫情發生以來，ECMO逐漸為公眾所熟知，然而其核心關鍵技術長期被國外壟斷，設備及耗材價格昂貴。
醫護人員使用國產ECMO救治患者（受訪者供圖）
西安交通大學第一附屬醫院心血管病院院長袁祖貽介紹，該院心血管團隊已從事ECMO臨床應用及相關研究超過20年。團隊是國內最早開展ECMO臨床工作的單位之一，也是國內最早研發膜式氧合器、灌注管路等醫療器械的單位之一。2017年，該團隊聯合有關方面針對ECMO設備全血液接觸面長效抗凝涂層、磁懸浮離心泵、超聲流量探頭、程控監測系統及ECMO膜肺展開深入設計和研發。
國產ECMO救治患者（受訪者供圖）
西安交通大學機械學院教授莊健介紹，新冠肺炎疫情發生前，研發團隊已基本完成ECMO離心泵設備及全系列耗材的樣品試制，并進行了針對抗凝涂層的大動物實驗。在本項目研發中，團隊充分分析比較了國外同類產品的優缺點及臨床使用存在的問題，設計出針對國內臨床需求的國產化ECMO。
此次該團隊研發的首套國產ECMO系統成功應用于臨床，有望顯著降低ECMO產品的國內售價，推動ECMO技術向基層醫院普及，使更多急危重癥患者受益。
ECMO（Extracorporeal membrane oxygenation，體外膜肺氧合）是一種生命支持類設備，也是一種改良形式的體外循環，可為常規治療無效的呼吸衰竭患者提供臨時的氣體交換支持，足夠的組織氧氣輸送，其主要適應癥之一即為急性呼吸窘迫綜合征（Acute respiratory distress syndrome，ARDS）的患者，也可作為肺移植的橋梁。ECMO可分兩種類型，靜脈動脈VA和靜脈靜脈VV，兩者都能提供呼吸支持，但只有VA ECMO能提供血流動力學支持。
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ECMO設備由許多部件組成，一個標準的回路包括磁懸浮離心泵、氣體交換裝置和熱交換裝置、主機，以及連接這些部件與患者間的管路。ECMO回路由簡單到復雜不等，可包括各種血流和壓力監測設備、連續氧合血紅蛋白飽和度監測器以及各類定制的橋接管路，讓患者在相對較長一段時間內（數天至數周）得到支持，其主要治療目的是橋梁而非終點。
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圖1. ECMO機器的各個部件（靜脈血從患者體內排出，通過靜脈飽和度傳感器和儲存袋，被泵入氧合器/熱交換裝置，隨后含氧溫熱的血液再通過ECMO回路橋，輸送回患者的動脈或靜脈系統，沿途有多個壓力及流量監測器）
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ECMO回路必須涂覆具有生物相容性的內襯（譬如硅酮，膽堿酯酶，等等），以減少全身炎癥反應，血栓形成和出血的風險。但截至目前，暫無任何涂層可完全消除這類并發癥。回路中可包含多個監測器，包括測量總回路血流量和獨立的靜脈、動脈超聲測量器，其中三個重要位置需測量壓力，包括離心血泵前，防止過度抽吸；及氣體交換裝置前和后，氧合器前后（跨膜）的壓力差增加，提示氧合器內部的阻力增加。
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圖2. 成年患者ECMO回路的示意圖
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圖3. ARDS患者VV ECMO支持后，相關并發癥和死亡率的情況
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不過說到ECMO，到底不能不提的還是膜肺（Membrane Oxygenator）。在膜肺出現之前，氣泡式氧合器（將血液直接暴露在大氣中，容易導致血液損傷和血液丟失）是主要使用的器械。1944年，Williem J. Kolff教授和H. TH. J. Berk（一家陶瓷公司的董事）發現微孔玻璃紙具有半滲透性，能夠傳輸氧氣，他們開創了腎透析治療，并同時開啟了對膜肺的初步研究。第一個成功的膜肺由Clowes等人于1955-1957年間開發，使用25微米的聚乙烯薄膜，對氧氣和二氧化碳的滲透率低但穩定，并具有很大的表面積，后期改進為堆疊的乙基纖維素膜，但乙基纖維素允許水滲入，脆性材料機械支撐力差，且氣壓過大常導致回路內栓塞。隨著生物相容性較好的有機硅的發現，其表現出穩定的結合、低表面張力和無毒性，被證明是醫療器械應用的極佳材料。1969年，Galletti及其同事使用10微米的硅膠薄膜覆蓋微孔基材。隨后，為了克服滌綸和玻璃纖維網支撐的76微米厚硅膠膜中的材料缺陷，及由此產生的氣體栓塞，Kolobow等在螺旋纏繞式平行板膜肺中使用了低壓氧氣，以降低跨膜氧分壓梯度為代價，顯著提升了膜肺的安全性。膜肺的路徑特點直接影響了轉移到血液中的氣體量，因此這一階段每個制造商都通過各種創新來力求達到這一目標。
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圖4. Kolff博士于1944年制作的，首次獲得臨床成功的人工腎（都是膜~）
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圖5. 1965年發明的Rashkind膜肺
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圖6. Kolobow圓柱形膜肺（A）硅膠涂層滌綸篩網，帶有用于氣體交換膜的玻璃纖維支撐篩網；（B）組裝后的膜肺
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圖7. 1960年代市售的膜肺，（A）Lande-Edwards和（B）Travenol兒科膜肺，利用有機硅共聚物膜片形成一疊平行板，使用帶槽塑料支撐控制血道高度，大大提升了氣體交換率，簡化了臨床操作，多個膜肺還能并行使用
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透氣膜是膜肺的重要組成部分，半個多世紀以來，膜的制造和包裝技術取得了顯著進步，呼吸生命支持器械的使用因此而更安全和持久。1971年，第一臺中空纖維膜肺誕生，血液分散通過各根10-18厘米長的微孔（直徑小于1微米）聚丙烯中空纖維管，氣體則在這些纖維管外流動，從而達到了既往無法企及的高氣體交換，也減少了與硅酮相關的凝結問題。然而，這也帶來了新的挑戰，血漿可逐漸滲入微孔并抑制氣體轉移（血漿滲漏，使用后8小時即可發生），血液中的磷脂可非特異性地結合到纖維，在微孔開口處形成親水表面，隨后血漿即可通過毛細管作用滲入空隙，并使得磷脂進一步結合。這一過程后，由于與空氣相比氧氣在水中的擴散率低得多，氣體傳輸隨之大大降低，此時的膜肺壽命有限并需經常更換。為解決這一問題，Kawahito等探索了使用硅橡膠材料的纖維，疏水性的硅橡膠可防止水進入微孔，但它的氣體交換率較低。
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圖8. 現代膜肺示意圖
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圖9. 單根中空纖維管表面的掃描電鏡照片，可見直徑小于1微米的微孔在膜的氣體和血液側之間形成直接通道
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圖10. Quadrox-iD（Maquet）是第一款所謂的等離子膜肺，其纖維束采用獨特的交織排列，并具有相互垂直的血液、氣體和水通道，因此氣體和溫度的傳輸速率更高
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終于到了世紀之交，我們迎來了一種新型的膜材料聚甲基戊烯（Polymethylpentene，PMP），它不但具有對氧氣和二氧化碳擴散的最小阻力，還提供了一種不透水表層微孔結構，解決了等離子體滲透微孔的問題，更具生物相容性且可使用更長時間。臨床上最常使用時間已達到59天，目前，美國超過90%的中心傾向使用PMP膜肺。
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圖11. 現代的PMP膜肺（離不開3M公司啊）
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今天的最后，世衛組織臨時指南建議，向符合條件的COVID-19相關ARDS患者提供ECMO支持，下圖即為體外生命支持組織（ELSO，Extracorporeal Life Support Organization）提供的全球ECMO儲存量，在可預見的將來，ECMO的儲備和使用也將越來越多、越來越廣。
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圖12. ELSO提供的全球ECMO儲存量
