可植入微型軸流血泵溶血實(shí)驗(yàn)研究

王玉璇, 張杰民, 施 超, 劉曉程,*

(1中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院,北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院, 北京 100730; 2泰達(dá)國際心血管病醫(yī)院輔助循環(huán)研究室; *通訊作者,E-mail:liuxc@tedaich.com)

近年來,流行病學(xué)顯示國內(nèi)外心力衰竭的發(fā)病率持續(xù)上升,終末期心衰的治療日益成為臨床心血管內(nèi)、外科所面臨的巨大挑戰(zhàn)。由于傳統(tǒng)的藥物治療和常規(guī)外科手術(shù)存在明顯的不足,心臟移植已成為晚期心衰患者的最佳治療方法,已廣泛應(yīng)用于世界各心臟中心。但由于受到供體心臟數(shù)量短缺的影響,很多患者不能及時(shí)接受移植手術(shù)而死于難治性心力衰竭,這也極大地促進(jìn)了心臟機(jī)械輔助循環(huán)裝置的發(fā)展[1]。心室輔助裝置的出現(xiàn)挽救了大量不能及時(shí)獲得心臟移植的急、慢性心衰患者,極大地延長了心衰患者的壽命,明顯地改善了患者的生活質(zhì)量,節(jié)省了大量的醫(yī)療費(fèi)用,具有廣泛的臨床應(yīng)用前景[2,3]。但由于進(jìn)口裝置價(jià)格昂貴,無法在國內(nèi)推廣。目前,國內(nèi)眾多研究機(jī)構(gòu)和大的醫(yī)學(xué)心臟中心正在致力于血泵的研制和初期試驗(yàn)工作。

通常按輸出血流不同可以把血泵分為搏動性血泵和平流血泵。前者是研制較早的輔助裝置,也是目前應(yīng)用到臨床病例數(shù)最多的血泵,但經(jīng)過多年臨床應(yīng)用后發(fā)現(xiàn),它們都存在體積大、難以全植入體內(nèi)、大的傳動軸承所致的感染機(jī)會增加、主機(jī)部件多等缺點(diǎn)[4]。為克服這些缺陷,探尋可長期植入的新型微型軸流血泵已成為當(dāng)今國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[5,6],目前國外已經(jīng)成功通過臨床前期實(shí)驗(yàn)、正在進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)的有 Jarvik 2000、MicroMed DeBakey、Berlin Heart Incor和HeartMateⅡ四種血泵,而國內(nèi)尚沒有成品的可植入式血泵。

表面接觸、轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的剪切力、產(chǎn)熱、層流被破壞等諸多因素都可造成溶血,因此血細(xì)胞破壞一直是血泵研發(fā)急需解決的關(guān)鍵問題。本中心自行研發(fā)并制作了植入式微型軸流血泵,成功地進(jìn)行了體外和在體溶血實(shí)驗(yàn),效果滿意,報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 微型軸流血泵基本參數(shù) 本研究小組自行研發(fā)設(shè)計(jì)的微型軸流血泵,為鈦合金材料,總長度 73 mm,最大外徑 29 mm,總重量 100 g,見圖1。

圖1 自制軸流泵實(shí)體圖Fig 1 The stereogram of the self-made axial flow blood pump

1.2 體外實(shí)驗(yàn) 血泵安裝在模擬循環(huán)通路中,體外溶血示意圖見圖2。

圖2 體外溶血模擬循環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 The structure of mock circulatory loop for hemolytic characteristics in vitro

模擬循環(huán)通路主要由 500 ml大型儲血袋,內(nèi)徑12 mm、長25 cm的肝素化體外循環(huán)用管道,表式血壓計(jì),阻尼閥及超聲流量計(jì)(T110 Transonic Systems Inc,USA)等構(gòu)成。健康成年綿羊 1只,雄性,體重49.5 kg,應(yīng)用 3%戊巴比妥鈉 50 mg/kg腹腔注射麻醉,麻醉起效后,備皮,右頸外靜脈處穿刺置雙腔靜脈插管至上腔靜脈。抽取血液 1 500 ml,分別流入含有 3.8%枸櫞酸鈉 1∶9抗凝的500 ml大型儲血袋,每 100 ml動物血加入慶大霉素 0.25 mg以防止血液發(fā)生細(xì)菌感染,每 500 ml血液加入肝素 250 U。放置恒溫箱中,水浴溫度控制在 37℃,安裝微型軸流血泵并啟動。調(diào)節(jié)血泵轉(zhuǎn)速和阻尼閥,使泵的輸出流量為5 L/min、平均壓力為100 mmHg后持續(xù)工作。為獲得更準(zhǔn)確的血泵溶血數(shù)據(jù),血泵進(jìn)行 3次轉(zhuǎn)機(jī)溶血實(shí)驗(yàn),每次分別在轉(zhuǎn)泵前、轉(zhuǎn)泵后30,60,120,180,240,260 min時(shí)取血樣標(biāo)本 3 ml。以11 000 r/min下離心 15 min后取上層血漿標(biāo)本 1 ml,再次離心 15 min,吸取上清液,應(yīng)用 UV-2401PC島津紫外分光光度儀檢測血漿中游離血紅蛋白含量。每個(gè)時(shí)間點(diǎn)取 3次實(shí)驗(yàn)的平均值。目前國際上主要是采用標(biāo)準(zhǔn)溶血指數(shù)(normal index of haematolysis,NIH)來表示體外模擬檢測輔助裝置對血球的破壞程度,作為血液相容性的重要衡量指標(biāo),它代表血泵每泵出 100 L血球壓積標(biāo)準(zhǔn)化的血液,因血球破壞而釋放入血漿的血紅蛋白量。計(jì)算公式為:NIH=ΔFHb×V×[(100-Hct)/100]×[100/(Q×T)]。

該公式中,Hct為紅細(xì)胞壓積;ΔFHb為間隔時(shí)間內(nèi)入血漿的游離血紅蛋白量(g/L);V為總的循環(huán)容量(L);Q為輔助裝置的輸出流量(L/min);T為檢測時(shí)間間隔(min)。經(jīng)過公式計(jì)算,最終 NIH的單位為g/100 L。

1.3 在體實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)遵循天津市實(shí)驗(yàn)動物管理?xiàng)l例進(jìn)行,并且已經(jīng)獲得天津泰達(dá)國際心血管病醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動物倫理委員會批準(zhǔn),選擇健康綿羊 3只,平均體重(40±3.8)kg,氯胺酮 10 mg/kg肌肉注射誘導(dǎo)后,建立靜脈通路,使用丙泊酚和異氟烷進(jìn)行全身靜脈復(fù)合麻醉,氣管插管接呼吸機(jī),設(shè)定潮氣量 10 ml/kg,呼吸頻率 18次/min。分離右頸靜脈建立輸液通路并監(jiān)測中心靜脈壓,右上肢動脈插管建立有創(chuàng)動脈壓連續(xù)檢測。準(zhǔn)備完畢經(jīng)左側(cè)第四肋間進(jìn)胸,剪開心包并分離剝除部分降主動脈外膜,肝素化,維持活化凝血時(shí)間(activated clotting time,ACT)值在250-300 s左右,安裝左心輔助裝置,形成左心室、血泵和降主動脈的循環(huán)通路。流量計(jì)探頭置于泵出口與降主動脈吻合口之間測定血泵輸出流量。血泵輔助試驗(yàn)中,調(diào)節(jié)血泵轉(zhuǎn)速,在平均動脈血壓為50-80 mmHg情況下,血泵的流量維持在 2.0 L/min左右。在監(jiān)測主動脈壓力的同時(shí),分別在轉(zhuǎn)泵前、轉(zhuǎn)泵后各時(shí)間點(diǎn)取血樣標(biāo)本,測量 FHb、LDH及膽紅素等指標(biāo)。

2 結(jié)果

2.1 體外實(shí)驗(yàn) 在體外實(shí)驗(yàn)中,新鮮羊血在 3次實(shí)驗(yàn)過程中檢測的Hct均值為23.4%。各時(shí)間點(diǎn)FHb的量及各經(jīng)前述公式計(jì)算出來的前后時(shí)間間隔的NIH值見表1?？偟腘IH平均值為(0.016 44±0.000 18)g/100 L。

表1 體外溶血實(shí)驗(yàn)血漿游離血紅蛋白變化 (g/L)Tab 1 The changes of plasma free hemoglobin in vitro hemolytic test (g/L)

2.2 在體實(shí)驗(yàn) 手術(shù)結(jié)束后,持續(xù)采用肝素抗凝維持 ACT值在 250 s左右,動物于術(shù)后6-8 h左右拔管,并轉(zhuǎn)移固定至特制的動物固定裝置架。動物實(shí)驗(yàn) 24 h短期左心室輔助時(shí)各時(shí)間點(diǎn) Hb及 FHb值的變化見表2。動物輔助 24 h過程中,與溶血相關(guān)的LDH、TBIL及 DBIL血漿濃度變化見表3。

表2 在體實(shí)驗(yàn)不同時(shí)點(diǎn)血紅蛋白及游離血紅蛋白變化Tab 2 The changes of plasma Hb and free hemoglobin at different time points in vivo hemolytic experiment

表3 在體其他溶血相關(guān)指標(biāo)變化Tab 3 The changes of other related vivo hemolytic properties

3 討論

目前血泵主要面臨著血液破壞和血栓形成兩大難題,可見血泵溶血問題的解決與否關(guān)系著血泵研制的成敗。本研究通過體外、在體實(shí)驗(yàn)對血泵進(jìn)行了系統(tǒng)的溶血測試,取得了比較滿意的結(jié)果。

NIH是目前世界公認(rèn)的體外評價(jià)血泵溶血性能的金指標(biāo),它代表血泵每泵出 100 L血球壓積標(biāo)準(zhǔn)化的血液,因血球破壞而釋放入血漿的血紅蛋白量。我們研制的軸流血泵 NIH為(0.016 44±0.000 18)g/100 L,和國內(nèi)其他大型心臟中心研制的血泵相比較具有較好的血液相容性[7],與國外近年來研制的一些三代可植入血泵水平相當(dāng),如歐洲 DuraHeart離心血泵的NIH為(0.01-0.03)g/100 L[8],但是與研究比較成功的血泵相比還有很大的差距,如TMDU/TIT離心血泵的NIH為(0.001-0.002)g/100 L[9]。

通常用血漿 FHb濃度來表示體外循環(huán)(cardiopulmonary bypass,CPB)、機(jī)械循環(huán)輔助(mechanical circulatory support,MCS)中的血液破壞程度。當(dāng)存在血管內(nèi)溶血、紅細(xì)胞被破壞時(shí)血漿游離血紅蛋白會明顯升高,應(yīng)用 CPB、MCS等裝置均會引起紅細(xì)胞機(jī)械性破壞,使血漿游離血紅蛋白增加。本研究表明血泵植入后的24 h內(nèi),FHb呈現(xiàn)明顯的上升趨勢,但基本在臨床可接受范圍內(nèi)。FHb由術(shù)前的(3.7±1.6)g/100 L逐漸上升到術(shù)后24 h的(79.3±7.1)g/100 L,可見輔助第1天血細(xì)胞破壞比較明顯,與國外文獻(xiàn)報(bào)道均是在安裝各種輔助裝置治療當(dāng)日 FHb達(dá)到最高值,然后逐漸下降一致[10]。而血液 Hb含量有下降趨勢,主要是和血球破壞、手術(shù)失血有關(guān);由于動物術(shù)中靜脈輸晶體液約 2 000-2 500 ml,血液稀釋也能使血液 Hb濃度下降。同時(shí),和紅細(xì)胞破壞的其他一些相關(guān)指標(biāo)如 LDH、TBIL及DBIL也一致性的上升,這些充分說明了紅細(xì)胞有明顯的破壞。從國外文獻(xiàn)報(bào)道看,血泵植入后的24 h內(nèi),紅細(xì)胞破壞嚴(yán)重,血泵運(yùn)行平穩(wěn)后,FHb、LDH等都會有明顯的恢復(fù)[5,6]。另外初步的動物實(shí)驗(yàn)中各項(xiàng)溶血相關(guān)指標(biāo)都在臨床可接受范圍內(nèi),可見這種微型軸流血泵具有較好的血液相容性,尤其是考慮到羊的紅細(xì)胞和人及牛相比其脆性更大,對機(jī)械破壞更敏感[11]。要想更準(zhǔn)確的評估血泵的溶血性質(zhì),還需進(jìn)行更長時(shí)間的輔助,長時(shí)間的觀察各項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律。

正常情況下血液在血管內(nèi)呈流線型流動,機(jī)械輔助循環(huán)后,會出現(xiàn)非流線型血流,造成對血液成分的破壞;另外血泵高速轉(zhuǎn)動使得紅細(xì)胞在較高的撞擊速度下發(fā)生破裂而導(dǎo)致溶血,其臨界垂直撞擊速度約為6 m/s[12]。而且血液在管道和插管中突然發(fā)生的容積變化,使血流的剪切應(yīng)力發(fā)生改變,也可以導(dǎo)致明顯的溶血[13]。除上述血液流體力學(xué)改變外,血泵溶血的原因還包括材料血液相容性、非生物接觸面積、機(jī)械產(chǎn)熱等幾個(gè)方面。優(yōu)化血泵結(jié)構(gòu),盡量減少與血液接觸的泵內(nèi)面積,以減少由于紅細(xì)胞與人工材料表面摩擦而產(chǎn)生的破壞,解決血液不規(guī)則流動產(chǎn)生的滯留和高剪切力對血液成分的破壞[14,15],同時(shí)進(jìn)行與血液接觸的材料表面改性,以解決血栓和溶血的問題。

本研究小組研發(fā)的微型可植入軸流血泵采用質(zhì)量輕、血液相容性和熱傳導(dǎo)性能良好的鈦合金,采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)對轉(zhuǎn)子和前后支撐進(jìn)行氮化鈦鍍膜。采用產(chǎn)熱小的直流無刷電機(jī)、運(yùn)用反電勢控制,極大地降低了局部產(chǎn)熱。而且血泵體積小,動物實(shí)驗(yàn)中血泵外人工血管管道盡量縮短,降低了非生物接觸面積,與血液的接觸面積小,因此由異物表面接觸所引起的血栓形成和栓塞的概率也大大降低。綜上所述,這些血泵設(shè)計(jì)上的優(yōu)化,明顯降低了其對血液系統(tǒng)的破壞特性。

4 結(jié)論

血泵溶血性能在可接受范圍內(nèi),接近于部分國外三代血泵溶血水平,初步具備進(jìn)入動物輔助實(shí)驗(yàn)研究水平。

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