- 中國新材料產業發展報告(2020)
- 中國工程院化工 冶金與材料工程學部 中國材料研究學會編寫
- 8220字
- 2022-01-13 15:01:14
4.2 人工肺中空纖維交換膜材料產業的國際發展現狀及趨勢
肺臟是負責血液與環境之間的氧氣(O2)和二氧化碳(CO2)交換的器官,肺臟內包含了大量懸浮在毛細血管分支網絡中的小氣囊(即肺泡),這些毛細血管允許一次通過一個紅細胞。每個細胞吸收O2并通過肺泡囊膜排出CO2。由于毛細血管和肺泡網絡形成了很高的比表面積,使肺泡交換膜總面積可以達到80m2,快速有效實現氣體交換。因此,理想的人工肺需要能進行同樣有效的氣體交換,并且對血液要有相容性,具體來說,這就要求人工肺膜材料具備如下性能:
① 在短時間內,例如幾分鐘到幾小時,可以高達5L/min的速度進行靜脈血充氧,使血紅蛋白飽和度達到95%~100%。
② 在充氧的同時除去血液中一定濃度的CO2,并維持在一個穩定水平,以避免呼吸道酸中毒或堿中毒,通常選用的CO2透氣分壓為40mmHg。
③ 具有適當的血液灌注量,通常為1~4L。
④ 對人體血液溫和兼容,避免溶血和蛋白質變性。
⑤ 使用簡單安全,干凈可消毒。
1939年,Gibbon等首次成功將體外血液氧合循環技術應用于心肺手術,他們使用了一個裝有不銹鋼濾網的小塔狀裝置使血液與逆流氧氣接觸。隨后就出現了三類血液氧合裝置,分別是薄膜型、氣泡型和膜式的氧合器。由于所需面積較大或者易造成人體器官機械應力創傷,前兩類氧合器逐漸被淘汰。以膜材料為基礎的膜式充氧器代表了人工肺膜血液氧合技術發展的重大突破,在此裝置內血液和氧氣之間沒有直接接觸,從而將空氣栓塞的風險降到最低。而且該裝置與血液接觸良好,不需要氣體排出系統。
膜式氧合裝置從20世紀50年代末首次引入血液氧合領域,到1985年占據了超過一半的氧合器市場份額,如今完全統治了氧合器市場,其發展伴隨著膜材料的改進與優化。膜肺材料常用的有硅橡膠、特氟龍、聚烯烴等多種,形式包含平板膜、管式膜、中空纖維膜等。早期的膜式氧合器主要使用硅橡膠、聚烯烴膜、特氟龍膜。早在1956年,Kloff等就將聚乙烯膜應用于心肺機的氧合膜裝置內。同年,Robb也將硅橡膠膜用于氧氣交換性能的評估。之后,Yasuda和Lamaze也研究了硅橡膠多孔膜與均質無孔膜在氣-膜-氣和氣-膜-水界面中(氣指溶解的氧氣)的氣體傳輸速率,并通過對比發現均質膜材料由氣-膜-氣系統獲得的滲透率常數代表了在氣-膜-水系統中的真實膜滲透率,可以定量地估計由于邊界層引起的輸送阻力。Kolobow等則使用硅橡膠膜先后開發了卷式和盤管式的血液氧合器。
早期的膜肺器件以Travenol公司Modulung-Teflo(TMO)膜肺和Sci-Med公司的Kolobow膜肺為代表。TMO膜肺采用微孔直徑3~5μm,膜折疊成30層,與另外30層相隔開,分別形成血液通道及氣體通道。這兩個通道各有其出入口,供血液和氧氣進出。在通道中間有一個鼓氣袋,可以注入不同量的空氣。此袋的空氣容量改變可使通道內的血液變薄或變厚,從而改變其氧交換率。在一定范圍內注入空氣量多,鼓氣袋容積增大,通道內血液厚度變薄,氧交換率亦增加,二氧化碳交換率與氧的流量互成反比。氧合面積因成人與兒童不同的肺活量而分為2~2.5m2和1.25m2兩類。Sci-Med公司的Kolobow膜肺與上述TMO相反,其采用無孔的經過增強的滌綸硅橡膠材料制成薄膜,具有半透性。整個氧合器猶如長信封,薄膜卷成筒形,形成血液與氣體通道置于圓形外殼內。每片膜均可承受360mmHg的壓力,其交換面積為0.8~4.5m2。
在早期的這些研究與醫學實踐中,微孔疏水聚丙烯(PP)膜和無孔均質硅橡膠膜這兩類膜材料體現出良好的氧氣交換性能,并成為了膜肺材料的代表。微孔疏水PP膜具有提供非常高的氧氣滲透性的優點,而無孔均質硅橡膠膜則在血液相容性、氣體滲透性和低血漿泄漏方面具有綜合優勢。但這些材料仍然存在排氣困難、預充量大、跨膜壓差大等問題,影響了人工肺膜的使用與普及。
中空纖維設計可以實現快速傳質和物質交換,比傳統的管式或板框式設計的設備要快得多,這也使得制造高效的人工肺或人工腮器件成為可能。將膜材料制成了小直徑的中空纖維,可以使每單位體積的膜提供更高的表面積,解決了膜材料排氣困難的問題。但是,對于微孔聚合物膜,為了避免氣泡的形成,其多孔性限制了它們在高氣壓工作條件下的使用;而且微孔的存在,膜氧合過程中的血漿滲漏可能性較高,使氧合能力下降。而對于硅橡膠膜,由于其無孔均質的特點,可以在高氣壓下使用而不會形成氣泡。但是,硅橡膠膜由于較厚且無孔,其氣體傳遞的阻抗比微孔膜要高很多,在纖維直徑較小時(如100~400μm),硅橡膠就不適用于中空纖維了,而且其成本也比聚烯烴微孔膜高。
目前主要使用的材料是聚-4-甲基-1-戊烯(TPX或PMP)中空纖維膜,該材料是現在公認的最優膜肺材料,結合了PP微孔膜和無孔均質硅橡膠膜的優點。PMP膜是由丙烯二聚制取的4-甲基-1-戊烯為單體聚合而成,該膜材料對氧氣和氮氣的滲透系數高,氧氣通量大,是聚乙烯材料的10倍左右,在所有聚合物中居于前列。此外,PMP還具有低溶出及生物安全性等特性,增加了血液相和氣相分離度,克服了血漿滲漏的問題,有效延長了ECMO設備的臨床使用時間。3M下屬的Membrana公司(德國)是目前PMP中空纖維膜材料的最主要生產廠商,該公司已經開發了通過熱誘導相分離法(TIPS)制備基于PMP和/或與其他聚烯烴(例如聚乙烯)的單組分或混合物疏水性中空纖維膜材料用于血液氧合設備。
我們以“membrane oxygenation”“artificial lung”“hollow fiber”“gas exchange”“gas flux”為遞進或并列關鍵詞,以“材料”“化學”和“高分子科學”為專業領域進行限定,在Web of Science上對1985—2020年的科研期刊論文進行了搜索,共收集到143篇論文(圖4-3)。在1985—2000年,隨著ECMO設備技術的成熟,相關膜材料研究的發表數量出現了一波小高峰。但在2000—2004年相關研究歸于平靜。從2005年,伴隨新材料技術的發展以及2003年在中國部分地區發生的SARS疫情對于呼吸輔助設備的需求,人工膜肺材料研究又開始逐漸升溫。在2009年后,隨著H1N1疫情在全球不同地區的小規模暴發,人們對于人工肺設備的需求增大,進一步刺激了人工膜肺材料的發展。此后,人工膜肺材料研究的數量出現穩步增長,期刊論文相關研究年發表數量維持在7~11篇。在1985—2020年間,人工肺中空纖維材料研究主要集中在膜組件設計與工藝條件優化、材料表面改性和高性能微流控氧合器設計三個方面,下面將對這三個研究方向進行詳細介紹和分析。

圖4-3 人工肺中空纖維膜材料研究歷年發表文獻數量趨勢
(1)中空纖維膜組件設計與工藝條件優化
20世紀70年代,隨著膜式氧合技術的逐漸成熟,硅橡膠、PP等高分子材料逐漸應用于人工肺膜裝置,經過20多年的競爭與發展,膜氧合器得到了極大的改進。1985—2004年,這20年間相關的科學研究熱點主要集中利用當時現有的聚合物中空纖維膜材料,進行纖維膜組件的設計優化與氧合器工作條件的建模優化。
美國明尼蘇達大學Semmens組系統研究了PP中空纖維膜在氧氣-膜-水界面中的氧合作用和氣體擴散性質。他們以Celgard公司生產的PP微孔纖維膜為材料,將中空纖維膜集束的一端對每根纖維都單獨進行封閉,而另一端連通氧氣源后充滿氧氣,安裝在圓筒狀裝置內并浸入流動的待充氧的水流中。在低于泡點的壓力下,氧氣會在分壓梯度的作用下擴散穿過多孔膜壁,并直接溶解到水中而不會形成氣泡。由于PP膜是疏水性的,并且孔足夠小使得它們保持干燥并充滿氣體,從而使通過膜的傳輸是通過氣體擴散進行的。因此,膜本身幾乎沒有傳遞阻力,并且傳質速率是通過纖維外部液膜上的氣體擴散來控制的。他們測試了各種孔徑和長度的中空纖維膜組件,總結歸納了氧氣分壓與纖維膜組件尺寸對于氣體傳質效率的關聯式,并通過對于輸入功率的優化,使氧氣擴散效率達到100%。他們還建立了一個理論模型用以描述由于氣體(例如氮氣)沿水流方向向后擴散而導致的沿纖維長度的氣體組成變化,并得到了實驗結果的驗證。他們的實驗和理論研究為后來的中空纖維膜血液氧合條件優化的相關研究奠定了基礎。
之后,法國圖盧茲大學的Moulin組研究了螺旋纏繞形式的硅橡膠中空纖維膜組件在管式流動器內的氧合作用,使用的中空纖維是硅橡膠,口徑為1.0~3.2mm。該器件內,水流以平穩層流形式運動。他們將螺旋膜組件的氧氣傳輸速率與常規的豎直平行排列的中空纖維膜組件進行了對比,發現螺旋組件內存在渦流時更有利于氧氣的擴散傳輸。日本早稻田大學的Sakai和Matsuda則評估了血液氧合裝置內,以交叉形式纏繞的PP中空纖維膜組件內的纖維根數對于血液流動模式和氧氣傳輸速率的影響。膜組件內纖維束所包含的纖維為1~6根不等。他們通過X射線計算機斷層攝影技術觀察血流模式,并使用牛血進行體外氧合實驗來測量氧氣傳輸速率和血壓下降情況。研究結果表明,纖維集束內的中空纖維數量的減少可以使血液纖維膜更有效地接觸,提高氧氣的傳輸速率。根據這些結果他們獲得了經驗方程,并通過模擬分析確定了交叉纏繞膜式氧合裝置的最佳結構參數。
意大利卡拉布里亞大學的Catapano課題組則是與Membrana公司合作,研究膜組件設計和操作變量對血液氧合膜組件的氧氣擴散與血流模式的影響。在雙層排列式的中空纖維膜組件中,他們發現水流速度的增加和膜角度的改變可以增強氧氣在整個膜上的傳遞,使氧合作用過程更穩定,但同時也導致了壓降過高。膜組件的壓降和氧氣傳輸速率,與膜組件的幾何形狀、纖維堆積密度、液流速度和膜角度相關,可以總結為一個無量綱方程,用以優化設計血液氧合裝置。之后,他們還研究了湍流技術對于膜組件氧氣擴散速率的影響,評估了用于血液氧合的Oxyphan聚丙烯膜和兩種實驗用聚丙烯膜的氧擴散滲透率。他們發現使用湍流技術產生的氧氣擴散滲透率與膜對氣態氮的滲透率,要明顯優于普通條件下膜組件的性能。上述這些優化膜組件工作條件的技術適用于氧氣運輸效率高或具有長期抗浸潤性的膜組件,分析并降低了膜組件在對血液或其他細胞懸液進行氧合作用時可能會產生的氣體傳輸阻抗。對于優化膜組件的商業性能和開發性能穩定的新型膜組件材料,都具有重要意義。
2000年以后,隨著血液氧合裝置市場的逐漸成熟,其利潤率越來越小,出現了較低的增長率。因此,工業和科技產業減少了對未來氧合裝置及其材料的開發工作。所以,2003—2004年有關人工膜肺材料的研究歸于平靜,新的技術熱點在醞釀形成。
(2)材料表面改性
為了滿足人體正常的代謝消耗,人工膜肺氧合器每分鐘必須輸送約250mL氧氣,并清除約200mL二氧化碳。但這些氣體在血液中的溶解度都很有限,因此,要求氧合設備具有較高的血流量,達到2~4L/min。這就使得基于中空纖維膜的人工肺需要較大的血液接觸膜表面積,以提供足夠的氣體交換。然而,如此大的表面對膜材料血液相容性提出了重大挑戰。同時,在膜氧合裝置內,氧氣的分壓驅動力是二氧化碳的15倍;而在人體肺臟器官中,該值約為13倍,但肺臟對二氧化碳的滲透性是對氧氣的20倍。因此,保持二氧化碳的高效輸送也是膜材料設計中要考慮的關鍵。用于肺部輔助裝置的膜必須在交換氧氣與二氧化碳的同時還充當兩側液體的屏障,因此防止血液及其成分的泄漏也是膜材料需要兼顧的因素。
21世紀以來,物理、化學、生物等技術在材料領域不斷的交叉融合,為提高人工肺膜材料的性能帶來了新的機遇。美國麻省理工學院的Gleason組通過化學氣相沉積(iCVD)制備兩類大面積的均質超薄滲透膜[21]。首先,他們在硅片基底上氣相沉積形成了厚度在1~5μm的聚丙烯酸叔丁酯p(tBA)或聚丙烯酸正丁酯p(nBA),通過溶解分離獲得了聚合物自支撐薄膜,并應用于微流體裝置檢測其滲透效果。二氧化碳滲透性測試表明,5μm的p(nBA)在測試過程中保持完好,并且滲透率是對照膜(8μm厚的硅樹脂旋轉澆鑄膜)的1.3倍。接著,他們又通過iCVD在市售的0.1μm孔徑聚四氟乙烯(20μm厚)表面制備了厚度范圍0.5~3μm的聚馬來酐二甘醇二乙烯基醚[p(MA-co-DEGDVE)]薄層,形成了復合膜材料。在氣體滲透測試中,這些復合膜的氧氣和二氧化碳的滲透性比8μm硅樹脂對照膜高50~300倍,并在幾天內具有高度重復性。復合膜還接受了液體阻隔性測試,證明它們可滲透氣體,同時具有液體阻隔性,是阻隔乳酸林格氏液的有效屏障。這兩類iCVD制備的自支撐膜和復合膜都有可用于微流血氧合器設備的潛力,正在開發工藝優化,以制造無缺陷的更薄的膜層(20~500nm)用于制造單個血液充氧器。
對人工膜肺組件進行肝素涂層是臨床上預防血液凝結和維持人工肺功能的手段,美國的美敦力(Medtronic Inc.)、百特(Baxter Inc.)等生產人工心肺裝置的公司都具有相關技術產品。但是,以往的肝素表面涂層會部分影響氣體滲透性,使得膜組件在維持同樣氣體交換速率的前提下擴大比表面積甚至增大體積,造成了實際應用的不利。表面內皮化被認為是優化人工合成材料血液相容性的重要技術,因為人造材料上的功能性內皮細胞層可能有助于控制止血,因此為改善這些材料生物相容性提供了絕佳的解決方案。德國漢諾威醫學院的Hess組報道了使用人臍帶血衍生的晚期內皮集落形成細胞在PMP氣體交換膜基底上的內皮化作用。他們實現了PMP膜的完全內皮化;當在膜上播種和培養時,提取自人臍帶血的晚期生長內皮集落形成細胞,既保持了內皮的特性,又保持了功能。與未進行內皮化的PMP膜相比,內皮化導致血小板的黏附和激活明顯降低。重要的是,內皮層對PMP膜的透氣性沒有重大影響。這項研究是朝著開發生物功能化表面方面邁出的重要一步,該表面生物功能化技術可用于具有血液接觸表面的氣體交換設備,并且是長期生物混合肺替代系統的直接方法。
美國匹茲堡大學的Federspiel組則長年致力于膜材料表面碳酸酐酶(CA,一種催化血液中碳酸氫根轉化為二氧化碳的酶)的固定化研究,以提高膜材料的二氧化碳擴散性能。首先,他們通過共價固定CA到PMP膜表面,制備了促進二氧化碳擴散的生物活性膜。這項研究考察了酶附著對生物活性膜的擴散特性和二氧化碳去除速率的影響,發現當使用較低的等離子放電功率和較短的等離子體活化時間時,用以連接CA的表面反應性羥基等離子體沉積不會改變膜材料的氣體滲透性或產生膜材料缺陷。表面羥基的溴化氰活化和之后的CA修飾,可以使膜上單層酶的覆蓋率達到88%。氣體滲透研究表明酶的附著不會阻礙二氧化碳或氧氣的擴散。此外,當應用于模型化的呼吸輔助設備時,該生物活性膜對碳酸氫鹽溶液中的二氧化碳去除率可以達到75%,而且沒有酶脫附浸出。
接著,該課題組又采用射頻輝光放電法(RFGD)進行表面活化,在PMP中空纖維膜表面引入了羥基,并活化接枝CA,考察CA固定化對二氧化碳去除效率和血液中血栓形成的影響。酯酶活性測定結果表明,與他們以前的等離子體活化法相比,固定CA活性提高了3.3倍。這些具有生物活性的PMP膜表現出108mL/(min·m2)的二氧化碳去除率,與未修飾的PMP膜相比增加了36mL/(min·m2)。通過使用乳酸脫氫酶分析以及掃描電子顯微鏡分析,根據表面黏附的血小板評估了CA修飾的HFM的抗血栓性,與未修飾的PMP膜相比,CA修飾的HFM具有更少的95%血小板沉積。此外,他們還進一步使用戊二醛活化的殼聚糖對碳酸酐酶進行包被,以放大用于酶固定的反應性胺官能團的密度,提高固定化效果。XPS和比色胺分析證實,修飾有殼聚糖包被的CA的纖維膜具有更高的胺密度。將殼聚糖包被的CA修飾在PP中空纖維膜上進行緩沖液和血液的氣體交換測試,二氧化碳的去除率與對照樣品PP膜相比,分別提高了115%和37%。另外,與對照樣品和肝素修飾的中空纖維膜相比,被殼聚糖/碳酸酐酶包被的纖維暴露于血液時表現出更低的血小板黏附性。總體而言,上述這些發現表明,固定CA的生物活性人工肺膜具有增強呼吸裝置中二氧化碳交換效率和提高生物兼容性的潛力。
(3)高性能微流體氧合器設計
基于微流體技術的微流控或微通道人工肺器件,有望通過其特征尺寸和血液通道設計,成為用于支持心臟外科手術和重癥監護醫學的體外呼吸輔助設備的可行平臺,實現新的真正可移植的治療性的人工肺裝置。與當前的中空纖維氧合器技術相比,微流體器件更接近于人類血管系統的結構,具有更小的橫截面血液導管和更薄的氣體傳輸膜,微流體系統也具有更多生理學類似的血液流動路徑。因此,基于微流體系統的人工肺會擁有如下潛在優勢:
① 具有表面積和灌注體積優勢,使得器件尺寸更小并降低了人體的排異反應;
② 包含血液流動網絡,使流動血液中的細胞和血小板承受與人體肺臟器官中類似的壓力、剪切應力和分支角度,進而改善了生物相容性;
③ 在室內空氣下可以高效運行,消除了對氣瓶的需求,降低了引起高氧血癥相關并發癥的可能;
④ 具有生物體相似的液體流動阻力,可以在人體正常的血壓下運行,不需要血泵;
⑤ 氣體交換能力增加,從而為患者提供了更多的呼吸支持。
雖然目前微流體人工肺器件成為臨床實際應用,必須克服大規模生產和長期血液相容性這兩個障礙,但微流體氧合裝置設計仍然是目前有希望實現新型人工肺應用的一個方向。
德國亞琛工業大學的Wessling與荷蘭特溫特大學的Lammertink合作, 提出了一種針對不同幾何構型多孔螺旋微通道內氣液接觸的實驗和數值模擬設計方法,將計算流體動力學(CFD)與基于實驗設計(DOE)方法進行系統優化集成。他們采用該方法研究了幾何參數對螺旋膜微通道混合性能的影響,該螺旋膜微通道具有基于次級渦流產生的設計特征。該方法已應用于幾種雷諾數的螺旋中空纖維幾何形狀的不同設計,并根據其對氣液混合效果的影響,對幾何特征進行了優化。這項工作從理論上論證了螺旋膜微混合器在氣液接觸、水氧合等方面的潛在應用。之后,Wessling組開發了一種新的光刻技術,以聚二甲基硅氧烷(PDMS)快速3D打印具有三維幾何形狀的微流體膜器件。在膜科學技術中,PDMS作為一種常用材料為各種分離應用(例如氧化、蒸汽回收和納濾)提供了有效的隔離屏障,硅與交聯劑的易使用性及其特性使其廣泛適用于構筑不同幾何形貌的器件。這里,他們用之前的理論模擬方法優化出了適宜氧合作用的幾何形狀,然后用3D打印的方法制備出了目前膜技術無法獲得的、具有適宜幾何結構的膜組件,并與具有相同幾何尺寸的最新中空纖維膜組件進行了流體力學模擬對比,顯示該PDMS膜組件具有出色的二氧化碳傳輸效果。他們的研究實現了微結構化氣液接觸設備的精確制造,對于可植入式血液氧合器的未來優化設計至關重要。
美國哈佛大學馬薩諸塞州總醫院的Vacanti組利用仿生設計原理,開發了一種微流體血管網絡,用于從肺動脈流入血液并將血液返回左心房,并采用計算流體動力學分析優化血管網絡內的血液流動,創建了具有3D功能的微銑削可變深度模具,以實現生理血流和剪切應力。氣體交換通過流動的氧氣跨過血管網絡與相鄰肺泡腔之間的薄硅膠膜進行。該裝置的表面積為23.1cm2,呼吸膜厚度為(8.7±1.2)μm,裝置內的二氧化碳轉移速率為156 mL/(min/m2),氧氣轉移速率為34mL/(min/m2)。這種基于組織工程架構的肺部輔助裝置可實現與中空纖維氧合器相當的氣體交換,并且在保持生理血流的同時實現了氣體高效穩定交換,該裝置可以按比例放大以產生可植入的臨床肺部輔助裝置。
美國德雷珀實驗室的Borenstein組報道了基于PDMS膜的多層微流體氧合器的設計、制造和表征,研究了流體機械阻力、氧氣傳輸效率以及多層設備中其他參數對于裝置放大的影響。他們發現一些重要的參數,例如微流體膜組件內通道交叉部位的流體阻力,在隨著裝置層數增加時會變得更加重要,而其他因素,例如膜材料的壓力應變可擴展性,則變得不那么重要。本研究還探討了氧氣通道中血液通道深度和膜厚度之間的關系,以及設備中層數與氧氣傳輸速率的關系。
之后,他們將多層微型微流體氧合裝置擴展為微流體ECOM裝置,以適用于臨床相關的氧氣傳輸速率和較低的血液灌注體積等臨床應用工作條件。通過擴大平面層中的血液微通道網絡的有效表面積,以及增加在三維裝置中微流控層堆疊層數,可以使器件有效適應臨床應用的氣體傳輸速率。除了減少灌注體積并提高氣體傳輸效率外,微通道網絡的幾何特性還通過為血液提供仿生流動路徑來提高設備安全性。此外,安全性和血液相容性還受裝置內血液與材料表面相互作用的影響。為了進一步提高裝置的安全性和血液相容性,他們成功地用人體內皮細胞對微流體器件的血流通道進行了內皮化,使通道具有了抑制凝血和血栓形成的能力。血液測試結果證實了在非內皮化的微流體裝置內有血纖蛋白凝塊的形成,而在內皮化裝置內則幾乎沒有。同時,氣體傳輸測試表明,內皮化的微通道襯里不會降低氣體傳輸效率。他們的研究為微流體結構的擴大化、安全化、生物相容化提供了一條有希望的途徑。
加拿大麥克馬斯特大學的Selvaganapathy組則報道了為新生兒的肺部輔助裝置(LAD)設計的微流體充氧裝置(MFO)。該設備將連接至諸如天然胎盤的臍帶血管,并提供氣體交換。體外血流僅由臍動脈和靜脈之間的壓差驅動,而無須使用外部泵,環境空氣的氧氣分壓(約為760mmHg的21%)即可驅動LAD。該研究比較了四種不同的膜,包括PDMS薄膜、PDMS多孔膜和兩種不同孔徑的聚碳酸酯多孔膜。其中,帶有多孔PDMS膜的微流體充氧器氣體交換速率最高,可達到氧氣1.46μL/(min·cm2)和二氧化碳5.27μL/(min·cm2),性能最好,分別比商用中空纖維基氧合器性能提高了367%和233%。此外,他們還設計了一種新的錐形進氣口以減少整個氧合器的壓降,比傳統的垂直進氣口性能提高了57%。