Phổi nhân tạo
Bệnh suy hô hấp cấp tính có thể xảy ra trong nhiều tình huống. Ví dụ như một trẻ sinh non có phổi phát triển chưa đầy đủ không có khả năng cung cấp nhu cầu oxy đủ cho cơ thể.
Hay những người nhiễm SARS-CoV-2 cũng bị suy hô hấp do nhiễm trùng làm mất một phần phổi khiến chu trình trao đổi khí không hiệu quả.
Trong thực tế điều trị, hỗ trợ thở khí cơ bằng giải pháp ép oxy vào phổi chỉ có thể hỗ trợ trong các trường hợp ít nghiêm trọng hơn và thường để lại một số biến chứng lâu dài khác. Những máy trợ thở này có thể gây nguy hiểm cho những người bị tổn thương phổi nặng hơn.
Chính vì vậy, sử dụng phương pháp khác để đưa oxy vào máu vô cùng cần thiết trong điều trị các bệnh nhân suy hô hấp, giữ cho cơ thể bệnh nhân hoạt động trong khi giảm áp lực trên phổi và phục hồi phần phổi bị tổn thương.
Một công nghệ như vậy được sử dụng trong những ca phẫu thuật tim, đó là máy trợ tim phổi nhằm hỗ trợ tim và cơ tim, hỗ trợ hô hấp cho bệnh nhân từ bên ngoài khi hệ thống hô hấp và tuần hoàn của bệnh nhân không thể thực hiện trao đổi khí, truyền oxy cho cơ thể.
Kỹ thuật này được gọi là oxy hóa màng tế bào ngoài cơ thể (ECMO), được sử dụng để hỗ trợ bệnh nhân trong thời gian ngắn. Trong đại dịch SARS vừa qua, ECMO được sử dụng để hỗ trợ các bệnh nhân bị suy hô hấp cấp tính nặng, cho phép phục hồi hơn 70% trường hợp.
Nhưng ECMO là một công nghệ đòi hỏi nhiều tài nguyên, đắt tiền, cồng kềnh và chỉ được sử dụng trong môi trường bệnh viện, với đội ngũ nhân viên được đào tạo lành nghề để vận hành và nguồn cung cấp oxy tin cậy.
Trong phổi của người, các mạng lưới mạch máu được phân thành vô số nhánh rất nhỏ, bao bọc bằng một lớp màng mỏng, tạo ra một diện tích bề mặt lớn trao đổi khí giữa máu và không khí xung quanh mà chúng ta hít vào.
Máy tạo oxy (có khả năng thực hiện trao đổi oxy và carbon dioxide trong máu của bệnh nhân) là thiết bị y tế nhỏ gọn, thực hiện nhiệm vụ trao đổi khí tương tự như phổi bằng phương cung cấp một giao diện bề mặt rộng lớn, cho phép diễn ra quá trình trao đổi khí.
 |
| Sơ đồ thiết bị máy tạo oxy cơ động - phổi nhân tạo |
 |
| Cấu trúc trao đổi không khí của máu trong thiết bị phổi nhân tạo |
Các phương pháp chế tạo vi mô
Trong những thiết bị này, không khí được hút vào máy từ môi trường xung quanh và tinh lọc, cho phép cung cấp oxy cho bệnh nhân càng tốt nhiều càng, kết nối với động mạch chính ở người lớn hoặc qua động mạch rốn (nhau thai nhân tạo) của trẻ sơ sinh.
Trong thập kỷ qua, những phương pháp chế tạo vi mô tiên tiến trong ngành công nghiệp điện tử được sử dụng để sản xuất ra các máy tạo oxy vi lỏng, mô phỏng những mạng lưới mạch máu mỏng, giống như màng trong phổi của con người.
Thông qua việc chế tạo vi mô, các màng diện tích cực mỏng có thể được sản xuất với độ tin cậy cao, cho phép trao đổi nhanh chóng oxy và carbon dioxide.
Các phương pháp chế tạo vi mô cũng cho phép xây dựng các mạng lưới mạch máu tổng hợp bắt chước các hệ thống mạch máu phân nhánh trong cơ thể con người, cung cấp đường chảy thông suốt, loại bỏ nguy cơ hình thành cục máu đông.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển các máy tạo oxy nhỏ gọn, có thể tích làm đầy nhỏ. Đây là cải tiến rất quan trọng nhằm tránh sự cần thiết phải truyền máu và những biến chứng về máu khi kết nối thiết bị với các bệnh nhân dễ bị tổn thương, đặc biệt là trẻ em.
Những máy tạo oxy vi lỏng được cấp máu từ hoạt động của tim bệnh nhân, tương tự như phổi con người, do đó làm đơn giản hóa hoạt động thiết bị.
Những thiết kế mới nhất, được phát triển trong 5 năm qua có khả năng tạo oxy từ không khí xung quanh, khiến thiết bị hoàn toàn chủ động, không cần vào bất kỳ nguồn cung cấp oxy đặc chủng nào.
Những phát triển mới này hứa hẹn hiện thực hóa thiết bị - phổi nhân tạo nhỏ gọn, cơ động, khắc phục được nhiều vấn đề của hệ thống ECMO hiện nay. Thiết bị có thể sử dụng được trong điều kiện điều trị ở vùng sâu, vùng khó khăn và có thể điều khiển từ xa.
Một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng khác, có ý nghĩa trọng tâm là phát triển lớp phủ chống đông máu hiệu quả, cho phép phổi nhân tạo hoạt động trong thời gian dài không gây phản ứng bất lợi của máu.
Hiện nay, các nhà khoa học đang sử dụng phương pháp in 3D để tạo ra các phân nhánh sinh học mạng lưới mạch máu với lớp màng liên kết trao đổi khí tương tự như phổi tự nhiên nhằm giảm kích thước của những thiết bị này.
Bài viết của Tiến sĩ P. Ravi Selvaganapathy tại Đại học McMaster, Canada
