ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В МЕМБРАННЫХ ОКСИГЕНАТОРАХ

При хирургических операциях на сердце и легком кровообращение и газообмен осуществляется в аппаратах «искусственное легкое» – оксигенаторах, основу которых составляют наиболее физиологичные мембранные устройства. С созданием оксигенаторов мембранного типа расширились и области их применения. Кроме обеспечения хирургии сердца оксигенаторы могут быть использованы в так называемой вспомогательной оксигенации для восстановления функции легких, например, при пневмонии, силикозе, а также при реанимации [1].

Мембраны для оксигенаторов должны удовлетворять следующим основным требованиям: иметь высокую газопроницаемость по кислороду и углекислому газу; обладать биологической и химической совместимостью с кровью; отличаться достаточно высокой механической прочностью и стойкостью к химическим и физическим факторам, действующим на мембрану при ее стерилизации и эксплуатации. Максимально повысить процессы газообмена при оксигенации крови (помимо оптимизации конструкции оксигенатора) возможно за счет эффективности мембраны, которая зависит от природы полимера и ее толщины. Высокая эффективность мембраны не столько позволяет варьировать проницаемость кислорода (гемоглобин крови усваивает строго определенный его объем), сколько важна для быстрого выделения (элиминации) углекислого газа из крови. Движущей силой элиминации СО2 является небольшое парциальное давление в крови, которое не поддается произвольному регулированию извне. Следовательно, скорость выделения двуокиси углерода всецело зависит от эффективности и селективности самой мембраны [2].

Первый мембранный оксигенатор небольших размеров был сконструирован W. Kolff и с успехом испытан в эксперименте D. Effler в 1956 г. В этом же году О. Olowes и соавторы применили в клинике больших размеров мембранные легкие, используя полиэтиленовые, затем тефлоновые мембраны. В 1958 г. G. Clowes сообщил о 100 больных, у которых были использованы мембранные легкие. В последующие годы были созданы более эффективные и менее громоздкие модели с использованием в качестве мембраны полимера силикона и поликарбоната, силиконизированного угля. Первые одноразовые оксигенаторы с мембраной для микропористого полипропилена были применены в клинике при операциях на сердце J. Hill в 1975 г. [4].

Наиболее пригодным материалом для мембран оксигенаторов является полиметилсилоксан (силиконовый каучук). К настоящему времени создано много разновидностей мембранных оксигенаторов (Рисунок 1), но лишь немногие из них оказались пригодными для клинического применения. Их неоспоримым преимуществом является значительно меньшие травма форменных элементов крови и денатурация белков плазмы. Основной недостаток - сложность в сборке и стерилизации в условиях клиники.

Известен мембранный оксигенатор крови типа "Мост"[5], производства НПО "Квант", содержащий корпус с размещенными в нем набором мембран из пористых пластин. На поверхностях мембран предлагаемого устройства со стороны кровяного отсека создается дополнительное альбумин-гепариновое покрытие.

Отличительным признаком мембранного оксигенатора крови с гепариновым покрытием (Рисунок 2) является наличие атромбогенного слоя, состоящего из цепей альбумина и гепарина, прочно фиксированных на мембране. Такое покрытие обеспечивает достижение положительного эффекта: повышается способность мембранного оксигенатора элиминировать углекислоту и оксигенировать кровь при внелегочном газообмене.

Также известно много технических решений мембранных оксигенаторов, применяемых для экстракорпоральных перфузий. Однако все они не могут быть использованы в педиатрической практике в силу достаточно большого объема заполнения. Кроме того, не решены вопросы надежности герметизации камер. В известных оксигенаторах используется много разнотипных материалов, которые контактируют с кровью. Последнее налагает определенные строгие требования к этим материалам. И самый главный недостаток известных мембранных оксигенаторов в том, что они наносят существенную травму клеткам крови.

Травмирование крови при оксигенации в пенно - пленочных или пузырьковых оксигенаторах, силы поверхностного натяжения на пузырьках газа при пеногашении - достаточно мощный фактор повреждения и форменных элементов крови и денатурации ее белков. Снижение травмы крови, улучшение ее оксигенации и предупреждение заноса перфтордекалина в кровь достигается тем, что в оксигенаторе, работающем на основе перфтордекалина, использован принцип массообмена на поверхностях соприкосновения вращающихся масс газонесущей жидкости и крови [7]. Для этого в центре нижней панели основной массообменной камеры, неразделенной мембраной, размещен элемент электромагнитной мешалки, при этом сам электромагнит расположен вне камеры. Непосредственный контакт крови и жидкости обеспечивает минимальную травматизацию крови; большие газотранспортные возможности перфтордекалина - хорошую оксигенацию крови; отсутствие дисперсной фазы перфтордекалина, невозможность его перемешивания с кровью из-за большой разницы удельного веса и ламинарный характер тока жидкостей позволяет предупредить занос перфтордекалина в кровь.

Авторами изобретен оксигенатор [8], в котором на нижней части удлиненного корпуса, вдоль всей окружности, выполнены прорези для прохождения воды, а между стенками удлиненного корпуса и основания выполнена система вертикальных барьеров, позволяющая жидкости двигаться в различных направлениях, что повышает эффективность работы оксигенатора.

Авторами предложено решение данной проблемы [9]. Уменьшение объема крови первоначального заполнения оксигенатора достигается тем, что в мембранном оксигенаторе, содержащем опорные пластины с углублениями и расположенные между пластинами газопроницаемые мембраны, углубления расположены на плоскости каждой опорной пластины равномерно, в центральной части каждого углубления выполнен выступ, высота которого составляет 0,6 – 0,8 глубины углубления, а углублениям на одной стороне опорной пластины соответствуют плоские части на другой.

Надежность является важным параметром для любого медицинского оборудования. Изобретение [10] позволяет регулировать газовый состав крови при любых перепадах давления крови и газа. Это достигается тем, что селективная мембрана данного оксигенатора выполнена из гофрированного пористого материала с покрытием из силиконового каучука. Также в работе [11] поставленная цель - уменьшение уплотняющих поверхностей реализуются выполнением газовых камер, замкнутыми в виде кольцевых мембран, которые скреплены попарно по центральному и периферийному периметрам, при этом на внешней поверхности газовых камер выполнены сферические выступы, высота которых соответствует высоте камер для крови. Что приводит к повышению надежности работы оксигенатора.

С целью удаления пузырьков в оставшейся крови с комплекта половолоконных мембран авторы [12] создали выпускной порт, с помощью которого кровь выпускается из оксигенатора, с целью обеспечения фильтра артериальной линии между оксигенатором и пациентом.

Авторы [13] разработали устройство экстракорпоральной мембранной оксигенации и метод его использования. Данный оксигенатор отличается улучшенной точностью выхода крови. Это достигается тем, что конструкция оксигенатора предусматривает двойной порт выхода крови, приводящее к увеличенному и равномерному распределению газового потока. Также устранены недостатки присущие аналогам: повышена точность измерения температуры и газов, непрерывная продувка сведена к минимуму.

Проанализировав конструкции мембранных оксигенаторов можно сделать вывод, что проблема улучшения кровообращения и газообмена крови является актуальным на сегодняшний день. В связи с этим модернизация оксигенаторов позволяет снизить риски летального исхода при хирургических операциях на сердце, восстанавливать функции легких при пневмонии, легочной недостаточности и др.

Список литературы

1.     Абдуллин И.Ш., Ибрагимов Р.Г., Зайцева О.В., Парошин В.В. / Вестник Казанского технологического университета, Т. 16, № 9, С. 11-16 (2013)

2.     Абдуллин И.Ш., Ибрагимов Р.Г., Музафарова Г.Ш., Саматова Э.М. / Вестник Казанского технологического университета, Т.17, №20, С.34-40 (2014).

3.     Бекман И.Н. Мембраны в медицине. Курс лекций. Москва 2010.

4.     Искусственное кровообращение. Мембранные оксигенаторы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.kazedu.kz/referat/112980,   свободный.

5. Патент РФ 2048818 (27.11.1995).

6. Патент РФ 1806756 (07.04.93).

7. Патент РФ 2027446 (27.01.1995).

8. Патент РФ 20134138382 (27.02.15).

9. Патент РФ 921571 (23.04.1982).

10. Патент РФ 948386 (07.08.1982).

11. Патент РФ 948387 (07.08.82).

12. Патент US 20100224559 А1 (9.09.2010).

13. Патент US 20130209314 A1 (2013).