Ученые уделяют много внимания созданию искусственных заменителей различных органов человеческого тела. Не исключение и искусственные легкие.

Нужно сказать, что наладить газообмен между кровью и атмосферой не такая легкая задача, как кажется на первый взгляд. Для этого требуется материал с капиллярами, одна сторона стенок которых соприкасается с жидкостью, вторая с газом. Стенки должны обладать высоким коэффициентом диффузии кислорода и углекислого газа и при этом быть достаточно тонкими для эффективной диффузии, но и достаточно прочными. Капилляры должны быть достаточно малого диаметра, чтобы в газообмене участвовала вся кровь, а не только текущая около стенок, но, несмотря на это, они не должны оказывать слишком большое сопротивление прокачиваемой через них крови, иначе не справится сердце.

При всем при этом они должны весить не слишком много и быть компактными, чтобы пациент не был прикован к постели или тележке с аппаратом, а мог носить его на себе. И вентилироваться они должны атмосферным воздухом, а не чистым кислородом из баллона, как некоторые из существующих прототипов.

Рис. 1. Общий вид полученного устройства.

Решение этих проблем в системе – сложнейшая задача. Для ее упрощения можно исследовать строение легких живых организмов и применять современные методы математического моделирования. Был проведен расчет зависимостей степени насыщения кислородом, парциального давления углекислого газа и скоростей диффузии этих газов от длины капилляров при разной толщине из стенок. Исходя из данных вычислений, подобрали параметры капилляров и изготовили два устройства, отличающихся толщиной капиллярных стенок, из полидиметилсилоксана с использованием многоступенчатой технологии. Для изготовленных устройств сняли зависимость вышеуказанных параметров газообмена от скорости тока рабочей жидкости, используя в ее качестве свиную кровь.

Рис. 2. Внутреннее строение искусственных легких.

Время широкого практического применения компактных искусственных легких еще не настало, но определенные шаги в этом направлении уже сделаны.

Рис. 3. Теоретические зависимости процентного насыщения крови кислородом, изменения равновесного давления углекислого газа над кровью, и удельных скоростей газообмена для кислорода и углекислого газа от длины (по оси абсцисс) и толщины (разные графики)капилляров.

Рис. 4. Теоретические и экспериментальные зависимости процентного насыщения крови кислородом, изменения равновесного давления углекислого газа над кровью, и удельных скоростей газообмена для кислорода и углекислого газа от скорости тока свиной крови через искусственные легкие с капиллярами диаметром 10 и 20 мкм.

Результаты своих достижений ученые представили в статье:

Joseph A. Potkay, Michael Magnetta, Abigail Vinson and Brian Cmolik Bio-inspired, efficient, artificial lung employing air as the ventilating gas. – Lab on a Chip. – 2011. – 11. – 2901–2909; DOI: 10.1039/C1LC20020H.