Este posibil să dai unei persoane plămâni artificiali? Fizicienii au creat plămâni artificiali externi pentru nou-născuți. Presupuse avantaje și dezavantaje ale sângelui artificial

Plămânii artificiali care sunt suficient de mici pentru a fi transportați într-un rucsac au fost deja testați cu succes pe animale. Astfel de dispozitive pot face mult mai mult mai confortabil decât viața acei oameni ai căror plămâni, indiferent de motiv, nu funcționează corespunzător. Până acum au fost folosite echipamente foarte greoaie în aceste scopuri, dar un nou dispozitiv dezvoltat de oamenii de știință în acest moment poate schimba acest lucru o dată pentru totdeauna.

O persoană ai cărei plămâni nu își pot îndeplini funcția principală este de obicei conectată la mașini care își pompează sângele printr-un schimbător de gaze, îmbogățindu-l cu oxigen și eliminând dioxidul de carbon din acesta. Desigur, în timpul acestui proces persoana este forțată să se întindă pe un pat sau o canapea. Și cu cât stau întinși mai mult, cu atât mușchii lor devin mai slabi, ceea ce face ca recuperarea să fie puțin probabilă. Tocmai pentru a face pacienții mobili, au fost dezvoltați plămânii artificiali compacti. Problema a devenit deosebit de presantă în 2009, când a apărut un focar gripa porcina, ca urmare a faptului că plămânii multor pacienți au eșuat.

Plămânii artificiali nu numai că pot ajuta pacienții să se recupereze după unele infecții pulmonare, ci îi permit și să aștepte plămânii donatori adecvați pentru transplant. După cum știți, coada poate dura uneori mulți ani. Situația este complicată de faptul că persoanele cu plămâni afectați, de regulă, au și o inimă foarte slăbită, care trebuie să pompeze sânge.

„Crearea plămânilor artificiali este o sarcină mult mai dificilă decât proiectarea unei inimi artificiale. Inima pur și simplu pompează sânge, în timp ce plămânii sunt o rețea complexă de alviole, în cadrul căreia are loc procesul de schimb de gaze. „Astăzi, nu există nicio tehnologie care să se apropie de eficiența plămânilor adevărați”, spune William Federspiel, angajat la Universitatea din Pittsburgh.

Echipa lui William Federspiel a dezvoltat un plămân artificial care include o pompă (pentru a susține inima) și un schimbător de gaze, dar dispozitivul este atât de compact încât poate încăpea cu ușurință într-o geantă mică sau într-un rucsac. Dispozitivul este conectat la tuburi conectate la sistemul circulator uman, îmbogățind eficient sângele cu oxigen și eliminând excesul de dioxid de carbon din acesta. Luna aceasta, testele cu succes ale dispozitivului au fost finalizate pe patru oi experimentale, timp în care sângele animalelor a fost saturat cu oxigen pentru perioade diferite timp. Astfel, oamenii de știință au crescut treptat timpul de funcționare continuă a dispozitivului la cinci zile.

Un model alternativ de plămâni artificiali este dezvoltat de cercetătorii de la Universitatea Carnegie Mellon din Pittsburgh. Acest dispozitiv este destinat în primul rând acelor pacienți a căror inimă este suficient de sănătoasă pentru a pompa în mod independent sângele printr-un organ artificial extern. Dispozitivul este conectat în același mod la tuburi conectate direct la inima persoanei, după care este atașat de corpul acestuia cu curele. În timp ce ambele dispozitive necesită o sursă de oxigen, cu alte cuvinte, un cilindru portabil suplimentar. Pe de altă parte, oamenii de știință încearcă în prezent să rezolve această problemă și au destul de mult succes.

În acest moment, cercetătorii testează un prototip de plămân artificial care nu mai necesită un rezervor de oxigen. Potrivit declarației oficiale, noua generație a dispozitivului va fi și mai compactă, iar oxigenul va fi eliberat din aerul din jur. Prototipul este în prezent testat pe șobolani de laborator și arată rezultate cu adevărat impresionante. Secretul noului model de plămân artificial este utilizarea tuburilor ultrasubțiri (doar 20 de micrometri) din membrane polimerice, care măresc semnificativ suprafața de schimb de gaze.

Oamenii de știință americani de la Universitatea Yale, conduși de Laura Niklason, au făcut o descoperire: au reușit să creeze un plămân artificial și să-l transplanteze la șobolani. A fost creat și un plămân separat, lucrând autonom și imitând munca unui organ real.

Trebuie spus că plămânul uman este un mecanism complex. Suprafața unui plămân la un adult este de aproximativ 70 metri patrati, asamblate pentru a asigura un transfer eficient de oxigen și dioxid de carbon între sânge și aer. Dar țesutul pulmonar este greu de restaurat, așa că în prezent singura modalitate de a înlocui zonele deteriorate ale organului este transplantul. Această procedură este foarte riscantă din cauza procent mare respingeri. Potrivit statisticilor, la zece ani de la transplant, doar 10-20% dintre pacienți rămân în viață.

Laura Niklason comentează: „Am reușit să proiectăm și să fabricăm un plămân care poate fi transplantat la șobolani, transportând eficient oxigenul și dioxidul de carbon și oxigenând hemoglobina în sânge. Acesta este unul dintre primii pași către recrearea întregului plămân la animalele mai mari și în cele din urmă la oameni.”

Oamenii de știință au îndepărtat componentele celulare din plămânii unui șobolan adult, lăsând structurile ramificate ale tractului pulmonar și ale vaselor de sânge care au servit drept cadru pentru noii plămâni. Și au fost ajutați să crească celule pulmonare de un nou bioreactor care imită procesul de dezvoltare a plămânilor la un embrion. Ca rezultat, celulele crescute au fost transplantate pe schela pregătită. Aceste celule au umplut matricea extracelulară - o structură tisulară care oferă suport mecanic și transportul substanțelor. Transplantate în șobolani timp de 45-120 de minute, acestea plămâni artificiali a absorbit oxigen și a expulzat dioxid de carbon, la fel ca și cele reale.

Dar cercetătorii de la Universitatea Harvard au reușit să simuleze funcționarea plămânului în mod autonom într-un dispozitiv miniatural bazat pe un microcip. Ei observă că capacitatea plămânilor de a absorbi nanoparticulele din aer și de a imita răspunsul inflamator la microbii patogeni reprezintă o dovadă a principiului că organele de pe microcipuri ar putea înlocui animalele de laborator în viitor.

De fapt, oamenii de știință au creat un dispozitiv pentru peretele alveolelor, o veziculă pulmonară prin care are loc schimbul de gaze cu capilarele. Pentru a face acest lucru, ei au plantat celule epiteliale din alveolele plămânului uman pe o membrană sintetică pe de o parte și celule ale vaselor pulmonare pe de altă parte. Aerul este furnizat celulelor pulmonare din dispozitiv, un lichid care simulează sângele este furnizat „vaselor”, iar întinderea și compresia periodică transmite procesul de respirație.

Pentru a testa reacția noilor plămâni la influență, oamenii de știință l-au forțat să „inhaleze” bacteriile Escherichia coli împreună cu aer, care a căzut pe partea „plămânului”. Și, în același timp, din partea „vaselor”, cercetătorii au eliberat celule albe din sânge în fluxul lichid. Celulele pulmonare au detectat prezența bacteriilor și au lansat un răspuns imun: celulele albe din sânge au traversat membrana spre cealaltă parte și au distrus organismele străine.

În plus, oamenii de știință au adăugat nanoparticule, inclusiv poluanți tipici din aer, în aerul „inhalat” de dispozitiv. Unele tipuri de aceste particule au intrat în celulele pulmonare și au provocat inflamație, iar multe au trecut liber în „fluxul sanguin”. În același timp, cercetătorii au descoperit că presiunea mecanică în timpul respirației îmbunătățește semnificativ absorbția nanoparticulelor.

Tulburările severe de respirație necesită asistență de urgență sub formă de ventilație forțată. Indiferent dacă insuficiența plămânilor înșiși sau a mușchilor respiratori este o necesitate absolută de a conecta echipamente complexe pentru a satura sângele cu oxigen. Modele diverse dispozitive ventilatie artificiala plămâni - un echipament integral al serviciilor de terapie intensivă sau de resuscitare necesar pentru menținerea vieții pacienților care au tulburări respiratorii acute.

În situații de urgență, un astfel de echipament este, desigur, important și necesar. Cu toate acestea, ca mijloc de terapie obișnuită și pe termen lung, acesta, din păcate, nu este lipsit de dezavantaje. De exemplu:

• nevoia de spitalizare constantă;
• risc permanent de complicații inflamatorii cauzate de utilizarea unei pompe pentru alimentarea cu aer a plămânilor;
• restricții în calitatea vieții și independență (imobilitate, incapacitatea de a mânca normal, dificultăți de vorbire etc.).

Sistemul inovator vă permite să eliminați toate aceste dificultăți, îmbunătățind simultan procesul de saturație a sângelui cu oxigen. plămân artificial iLA, a cărui utilizare în resuscitare, terapeutică și reabilitare este oferită astăzi de clinicile din Germania.

Faceți față tulburărilor de respirație fără riscuri

Sistemul iLA este o dezvoltare fundamental diferită. Acțiunea sa este extrapulmonară și complet neinvazivă. Tulburările de respirație pot fi depășite fără ventilație forțată. Schema de saturație a oxigenului din sânge este caracterizată de următoarele inovații promițătoare:

• lipsa unei pompe de aer;
• absența dispozitivelor invazive („implantate”) în plămâni și căile respiratorii.

Pacienții care au plămânul artificial iLA instalat nu sunt legați de un dispozitiv staționar și de un pat de spital, se pot mișca normal, pot comunica cu alte persoane și pot mânca și bea în mod independent.

Cel mai important avantaj: nu este nevoie să puneți un pacient într-o comă artificială cu suport de respirație artificială. Utilizarea dispozitivelor standard de ventilație mecanică necesită în multe cazuri o „oprire” comatoasă a pacientului. Pentru ce? Pentru a ameliora efectele fiziologice ale depresiei respiratorii a plămânilor. Din păcate, este un fapt: ventilatoarele deprimă plămânii. Pompa furnizează aer în interior sub presiune. Ritmul de alimentare cu aer reproduce ritmul respirațiilor. Dar în timpul inhalării naturale, plămânii se extind, drept urmare presiunea din ei scade. Iar la intrarea artificială (alimentare cu aer forțat), presiunea, dimpotrivă, crește. Acesta este factorul opresiv: plămânii sunt într-un mod stresant, ceea ce provoacă o reacție inflamatorie, care în cazuri deosebit de severe poate fi transmisă și altor organe - de exemplu, ficatul sau rinichii.

Acesta este motivul pentru care în utilizarea dispozitivelor de suport respirator cu pompare, doi factori sunt de importanță capitală și egală: urgența și prudența.

Sistemul iLA, în timp ce extinde gama de beneficii în suportul respirator artificial, elimină pericolele asociate.

Cum funcționează un aparat de saturare a oxigenului din sânge?

Denumirea „plămân artificial” are o semnificație specială în acest caz, deoarece sistemul iLA funcționează complet autonom și nu este un plus funcțional la plămânii proprii a pacientului. De fapt, acesta este primul plămân artificial din lume în adevăratul sens al cuvântului (nu o pompă pulmonară). Nu plămânii sunt ventilați, ci sângele însuși. Un sistem membranar este utilizat pentru a satura sângele cu oxigen și pentru a elimina dioxidul de carbon. Apropo, în clinicile germane sistemul se numește ventilator cu membrană (iLA Membranventilator). Sângele este furnizat sistemului în mod natural, prin forța de comprimare a mușchiului inimii (și nu printr-o pompă cu membrană, ca într-un aparat inimă-plămân). Schimbul de gaze are loc în straturile membranare ale aparatului aproximativ în același mod ca și în alveolele plămânilor. Sistemul funcționează într-adevăr ca un „al treilea plămân”, ameliorând organele respiratorii bolnave ale pacientului.

Aparatul de schimb membranar (însuși „plămânul artificial”) este compact, măsurând 14 pe 14 centimetri. Pacientul poartă dispozitivul cu el. Sângele intră în el printr-un port cateter - o conexiune specială la artera femurală. Pentru a conecta dispozitivul, nu este necesară nicio intervenție chirurgicală: portul este introdus în arteră la fel ca un ac de seringă. Conexiunea se face in zona inghinala designul special al portului nu limiteaza mobilitatea si nu provoaca deloc inconveniente pacientului.

Sistemul poate fi utilizat fără întrerupere pentru o perioadă destul de lungă de timp, până la o lună.

Indicații pentru utilizarea iLA

În principiu, acestea sunt orice tulburări de respirație, în special cele cronice. Beneficiile unui plămân artificial sunt cele mai evidente în următoarele cazuri:

• boală pulmonară obstructivă cronică;
• sindromul de insuficiență respiratorie acută;
• leziuni respiratorii;
• așa-numita fază de înțărcare: înțărcarea ventilatorului;
• sprijin pacientului înainte de transplantul pulmonar.

Faptul că suflarea aerului în plămâni poate reînvia o persoană este cunoscut încă din cele mai vechi timpuri, dar dispozitivele auxiliare pentru aceasta au început să fie produse abia în Evul Mediu. În 1530, Paracelsus a folosit pentru prima dată o conductă bucală cu burduf din piele concepută pentru a aprinde focul într-un șemineu. Treisprezece ani mai târziu, Vesaleus și-a publicat lucrarea „Despre structură corpul uman„, în care a fundamentat beneficiile ventilației plămânilor printr-un tub introdus în trahee. Și în 2013, cercetătorii de la Case Western Reserve University au creat un prototip de plămân artificial. Aparatul folosește aer atmosferic purificat și nu necesită oxigen concentrat. Structura dispozitivului seamănă cu un plămân uman cu capilare și alveole din silicon și funcționează pe o pompă mecanică. Tuburile de biopolimer imită ramificarea bronhiilor în bronhiole. În viitor, este planificată îmbunătățirea dispozitivului cu referire la contracțiile miocardice. Dispozitiv mobil cu mare probabilitate poate înlocui un ventilator de transport.

Dimensiunile plămânului artificial sunt de până la 15x15x10 centimetri ei doresc să aducă dimensiunile acestuia cât mai aproape de organul uman; Suprafața imensă a membranei de difuzie a gazelor oferă o creștere de 3-5 ori a eficienței schimbului de oxigen.

Dispozitivul este în prezent testat pe porci, dar testele au arătat deja eficacitatea acestuia în tratarea insuficienței respiratorii. Introducerea unui plămân artificial va ajuta la eliminarea necesității unor ventilatoare de transport mai masive care funcționează cu butelii de oxigen explozive.

Un plămân artificial face posibilă activarea unui pacient, altfel izolat la o unitate de terapie intensivă de lângă pat sau un ventilator de transport. Iar odată cu activare, șansele de recuperare și starea psihologică cresc.

Pacienții care așteaptă un transplant de plămâni de la donator trebuie de obicei să petreacă mult timp în spital pe o mașină de oxigenare artificială, folosindu-se doar să stai întins într-un pat și să privești aparatul cum respiră pentru tine.

Proiectul unui plămân artificial, capabil de insuficiență respiratorie protetică, le oferă acestor pacienți șansa de recuperare rapidă.

Trusa portabilă pentru plămâni artificiali include plămânul în sine și o pompă de sânge. Funcționarea autonomă este proiectată pentru până la trei luni. Dimensiunea redusă a dispozitivului îi permite să înlocuiască ventilatorul de transport al serviciilor medicale de urgență.

Munca plămânului se bazează pe o pompă portabilă care îmbogățește sângele cu gaze de aer.

Unii oameni (în special nou-născuții) nu au nevoie de furnizare pe termen lung de oxigen foarte concentrat datorită proprietăților sale oxidante.

Un alt analog non-standard al ventilației mecanice utilizat pentru leziuni severe ale măduvei spinării este stimularea electrică transcutanată a nervilor frenici („stimularea phrenicus”). A fost dezvoltat un masaj pulmonar transpleural conform V.P Smolnikov - creând o stare de pneumotorax pulsatoriu în cavitățile pleurale.