Применяемые сегодня в аппаратах экстракорпоральной мембранной оксигенации (ЭКМО) оксигенаторы состоят из микропористых мембранных волокон, которые представляют собой полотна из тонких экструдированных половолоконных трубок, диаметр которых в среднем 250-300 мкм. По трубкам подаётся О2, а перпендикулярно направлению трубок подаётся поток крови. В естественных условиях, большая часть переноса О2 происходит в капиллярах с диаметром 10 мкм. В применяемых сегодня полипропиленовых мембранах толщина стенок между волокнами с О2 и пространством по которому течет кровь, составляет около 200–300 мкм, что ограничивает эффективность переноса газа. В таких широких каналах оксигенация крови осуществляется за счет турбулентного кровотока. При кратковременном использовании (в основном до 7 дней) такие оксигенаторы очень эффективны. Однако при длительном использовании нарастает общий объем разрушенных эритроцитов, основная функция которых состоит в транспорте кислорода. Организм не успевает восполнить понесенные потери и дальнейшее применение аппаратов ЭКМО становится малоэффективным. Кроме того, в половолоконных мембранах оседают элементы крови в результате чего мембрана теряет газопроницаемость. В 2023 году научным коллективом компании "КардиоИмпульс" был разработан и изготовлен микрофлюидный оксигенатор, представляющий собой пространственную сеть микроканалов для крови и кислорода. Проведены несколько экспериментальных исследований: in vitro на венозной крови; in vivo на животном; in vivo на изолированном сердце животного.
Для каждого типа исследований были разработаны методики и соответствующие стенды. В исследовании in vitro среднее базовое значение sO2 венозной крови до подключения микрофлюидного оксигенатора составляло 52,2%. Венозная кровь, прошедшая через микрофлюидный оксигенатор, насыщалась кислородом и в результате сатурация (sO2) достигала референтных значений для артериальной крови. В процессе своей работы микрофлюидный оксигенатор достигал высоких значений сатурации крови sO2- 99,2%. В исследовании in vivo эксперименты проведены на животном и на изолированном сердце. При проведении исследований на животном подключение микрофлюидного оксигенатора производилось экстракорпорально по веноартериальному контуру. Запланированная длительность эксперимента с момента запуска микрофлюидного оксигенатора составляла 40 минут. Измерение показателей системы крови проводили до подключения микрофлюидного оксигенатора и через 40 минут после подключения.
Базовое значение sO2 венозной крови до подключения микрофлюидного оксигенатора составляло 38,7%. Через 40 минут после работы микрофлюидного оксигенатора показатель sO2 вырос на 91,1%. При этом в течение 40 минут организм работал без использования аппарата искусственной вентиляции легких, т.е. только за счёт микрофлюидного оксигенатора.
Development of a prototype of a microfluidic capillary oxygenator of blood with a matrix structure and its experimental studies
The oxygenators used today in extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) devices consist of microporous membrane fibers, which are sheets of thin extruded hollow fiber tubes with an average diameter of 250-300 μm. O2 is supplied through the tubes, and a blood flow is supplied perpendicular to the direction of the tubes. Under natural conditions, most of the O2 transfer takes place in capillaries with a diameter of 10 μm. In the polypropylene membranes used today, the wall thickness between the fibers with O2 and the space through which the blood flows is about 200-300 μm, which limits the efficiency of gas transfer. In such wide channels, blood oxygenation is carried out due to turbulent blood flow. In case of short-term use (mainly up to 7 days), such oxygenators are very effective. However, with prolonged use, the total volume of destroyed red blood cells, whose main function is to transport oxygen, increases. The body does not have time to replenish the losses incurred, and further use of ECMO devices becomes ineffective. Moreover, blood elements settle in the hollow fiber membranes, as a result of which the membrane loses gas permeability. In 2023, the research team of the CardioImpulse company developed and manufactured a microfluidic oxygenator, which is a spatial network of microchannels for blood and oxygen. Several experimental studies were conducted: in vitro on venous blood; in vivo on an animal; in vivo on an isolated animal heart.
Methods and corresponding stands were developed for each type of research. In the in vitro study, the average baseline sO2 value of venous blood before connecting the microfluidic oxygenator was 52.2%. Venous blood that passed through the microfluidic oxygenator was saturated with oxygen and, as a result, the saturation (sO2) reached the reference values for arterial blood. During its operation, the microfluidic oxygenator achieved high blood saturation values: sO2- 99.2%. In the in vivo study, experiments were conducted on an animal and an isolated heart. When conducting studies on an animal, the microfluidic oxygenator was connected extracorporeally via a venoarterial circuit. The planned duration of the experiment from the moment the microfluidic oxygenator was started was 40 minutes. Measurements of blood system parameters were performed before connecting the microfluidic oxygenator and 40 minutes after its connection.
The baseline sO2 value of venous blood before connecting the microfluidic oxygenator was 38.7%. 40 minutes after the microfluidic oxygenator was in operation, the sO2 value increased by 91.1%. Herewith, the body worked for 40 minutes without the use of an artificial lung ventilation device, i.e. only due to the microfluidic oxygenator.
Исполнители
