2026年8月19日，汉诺威医学院（MHH）与亚琛工业大学的研究人员开发出一种基于三重周期极小曲面（TPMS）的3D打印膜结构，用于人工肺，将氧气传输效率提升高达88%。△相关研究已发表在《Advanced Materials》期刊上，研究题目为“从纤维束到结构化膜：用于生物混合人工肺的三重周期性极简表面结构”（传送门）
可植入式生物混合肺新结构
对于严重肺部疾病患者，移植健康器官往往是唯一生存希望，但捐献肺源十分短缺。由MHH心胸外科教授Bettina Wiegmann领导的团队自2017年以来一直在推进这项研究，作为德国研究基金会（DFG）“迈向可植入肺”优先项目的一部分。ECMO（体外膜肺氧合）中使用的HFM膜形似排列成平行小排的细小吸管。然而，这种排列方式会产生湍流，导致血流分布不理想，从而限制了气体交换效率。此外，血液与人工膜表面之间的界面处也更容易形成血栓。Wiegmann表示：“目前，我们只能利用体外膜肺氧合（ECMO）在有限的时间内支持肺功能，因为血液与人工表面接触后会形成血栓。”因此，她正在探索一种不同的解决方案：一种基于TPMS的全新膜结构。与高密度排列的HFM膜不同，TPMS结构形成了一个连续的三维网络。这使得血液分布更加均匀，从而实现更高效的气体交换，同时也为构建更紧凑的人工肺奠定了基础。
氧气含量最多可增加88%
TPMS结构与天然肺泡非常相似，体积小却拥有极大的表面积。这意味着在极小的空间内，尽可能多的表面积可用于气体交换。在人类肺部，约100至140平方米的呼吸表面积被高效地排列在3亿个肺泡中。虽然TPMS结构尚未达到如此高的排列密度，但它们可以避开血流缓慢的区域，并降低流动阻力。此外，它们还可以利用现代3D打印技术轻松制造和定制。Wiegmann解释道：“我们优化了TPMS结构。因此，与传统中空纤维膜相比，我们实现了高达88%的氧气传输效率提升。这意味着，未来，我们或许能够用体积更小的人工肺实现相同甚至更好的氧气供应。”
有望实现更紧凑的人工肺
不仅是结构设计，所用材料也开辟了新的可能性。TPMS膜由一种特殊的硅酮聚合物制成，具有生物相容性、无毒且化学性质非常稳定。同时，该材料对氧气和二氧化碳具有很高的渗透性，这是高效气体交换的关键前提。它还可以被内皮细胞定植。这些细胞也存在于我们天然血管的内壁，并能调节血液凝固。这有望显著提高未来人工肺的血液相容性。
这项研究的长期目标是利用受损肺部的CT图像制作“模型”，并以此为基础通过3D打印生产个性化定制的人工肺段或整个肺。这些人工肺可以植入患者体内，永久替代肺功能，同时植入患者自身的内皮细胞或经过基因改造的内皮细胞。Wiegmann强调：“即使没有内皮细胞，新型TPMS结构也具有巨大潜力。即使作为中空纤维膜的替代品，也能使ECMO系统更高效、更紧凑，血液耐受性更好。从长远看，它也是可植入式生物混合肺的基础。”
来源：南极熊
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