ChinaHeart心室輔助裝置溶血性能研究

徐創(chuàng)業(yè)，藺嫦燕，吳廣輝，劉修健，楊朋，渠文波

1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院，北京 100029；2.北京市心肺血管疾病研究所，北京100029；3.蘇州同心醫(yī)療器械有限公司，江蘇 蘇州 215125

0 前言

心力衰竭（Heart Failure，HF）嚴(yán)重威脅著人類生命健康，已經(jīng)成為全球范圍的社會公共衛(wèi)生問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，世界上每年約有20%的心臟病患者發(fā)展為終末期心力衰竭。臨床上，內(nèi)科藥物治療心力衰竭效果不理想，患者生活質(zhì)量差、致殘率和死亡率高；心臟移植同樣面臨供體缺、適配難、費(fèi)用貴、并發(fā)癥多等不足[2]。隨著科技和工藝水平的進(jìn)步，心室輔助裝置（Ventricular Assist Device，VAD）逐漸成為治療心衰的有效方法，在心臟術(shù)后心肌功能恢復(fù)、心臟移植等待供體前橋梁過渡和永久性心臟替代方面發(fā)揮著重大作用[3-4]，顯著提高了終末期心衰患者的生活質(zhì)量和生存年限[5]。國外，VAD研究發(fā)展比較成熟。近些年，國內(nèi)眾多醫(yī)療科研機(jī)構(gòu)也開始致力于VAD的研制和初期試驗(yàn)工作[6-8]。

另一方面，作為心衰輔助用VAD，其主體血泵在輔助過程中會對紅細(xì)胞造成破壞，出現(xiàn)溶血、血栓栓塞等并發(fā)癥[9]。國際上溶血通常由血漿游離血紅蛋白（FHB）來衡量，F(xiàn)HB含量＞40 mg/L，則認(rèn)為出現(xiàn)溶血[10]。溶血可降低血液供氧能力，加重肝腎負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重者可致心肺功能障礙、肝腎功能紊亂和衰竭、貧血[11]，大大降低了VAD治療效果。文獻(xiàn)表明[12]，血泵內(nèi)部高且震蕩的剪切力、接觸材料的血液相容性、與血液接觸面積、機(jī)械產(chǎn)熱等因素均會導(dǎo)致溶血。目前，國產(chǎn)VAD尚無成熟商業(yè)產(chǎn)品出現(xiàn)，溶血性能不良是限制其發(fā)展的關(guān)鍵。因此，借鑒國外成功的VAD開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在國產(chǎn)血泵用于臨床前對其溶血性能通過體外和在體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試，保障其溶血性能，不僅能夠縮減研發(fā)成本和時(shí)間，還可有效減少臨床并發(fā)癥的發(fā)生。

本課題合作單位，蘇州同心醫(yī)療器械有限公司采用CFD技術(shù)設(shè)計(jì)研發(fā)的第三代心室輔助裝置——ChinaHeart VAD，其核心血泵應(yīng)用磁懸浮離心式方案，無機(jī)械軸承磨損，泵體采用血液相容性好的鈦合金材料，理論上具有優(yōu)良的溶血性能。本實(shí)驗(yàn)欲結(jié)合體外溶血實(shí)驗(yàn)和動物在體溶血實(shí)驗(yàn)，測試ChinaHeart VAD血泵的溶血性能，為進(jìn)一步長期動物存活實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動物

雄性小尾寒羊2只（羊1、羊2），體重50～60 kg，已接種，健康狀況良好，無心血管系統(tǒng)及血液相關(guān)疾病。由北京平谷模擬醫(yī)院提供，動物許可證號：SYXK(京)2010-0019。

1.2 實(shí)驗(yàn)血泵

采用蘇州同心醫(yī)療器械公司研制的新型第三代磁懸浮離心式心室輔助裝置ChinaHeart VAD，血泵主體，見圖1。泵體采用血液相容性較好的鈦合金材料，整體質(zhì)量約350 g，能夠提供10 L/min的流量輸出。血泵電機(jī)額定電壓28 V，額定功率15 W，泵體總長度31 mm（不加入口管），直徑56 mm。血泵內(nèi)部轉(zhuǎn)子無軸承，利用磁懸浮技術(shù)通過無位置傳感器的反饋信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉輪轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)血泵輸出流量和輸出壓力。

圖1 ChinaHeart VAD血泵主體圖

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

特制羊籠（自制）；

麻醉機(jī)（Aeon7200，北京誼安醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司）；

ACT測量儀及耗材（ACTⅡ，美國美敦力公司）；

取血袋（生復(fù)200 mL采血袋，長春泰爾茂醫(yī)療器具有限公司）；

儲血袋（CPDA血液保存袋500 mL，北京博德桑特輸采血器材科技開發(fā)公司）；

流量計(jì)（SM6000，易福門電子有限公司）；

壓力計(jì)（MMBPTSA20，北京天地和協(xié)科技有限公司）；

肝素化體外循環(huán)管道（北京衛(wèi)金帆醫(yī)療器械技術(shù)有限責(zé)任公司）；

5 mL帶帽離心管（Corning，美國）；

15 mL離心管（Corning，美國）；

移液器（Eppendorf，德國）；

水浴鍋（HH-1A，金壇市科杰儀器廠）；

測壓導(dǎo)管（深圳益心達(dá)醫(yī)學(xué)新技術(shù)有限公司）；

高速離心機(jī)（Eppendorf，德國）；

心電監(jiān)護(hù)儀（RSM-4101K，日本NIHON KOHDEN）；

紫外分光光度儀（752z，北京光學(xué)儀器廠）；

便攜式紅外溫度計(jì)（F561，美國福祿克公司）。

1.4 方法

1.4.1 體外溶血實(shí)驗(yàn)

將醫(yī)用肝素化體外循環(huán)管道連接至儲血袋；流量計(jì)的管狀探頭放置于血泵的出口端，監(jiān)測回路流量；壓力計(jì)置于血泵出入口處，監(jiān)測血泵的出入口壓力，見圖2。

圖2 體外溶血實(shí)驗(yàn)回路圖

從羊頸靜脈無菌取新鮮血液600 mL，給予普通肝素1.5 mg/kg抗凝，使全血活化凝血時(shí)間（Activated Clotting Time， ACT）維持在450 s之上。將血液裝入特制貯血袋，連接血泵、壓力計(jì)、流量計(jì)、阻尼閥，排空回路中空氣。調(diào)節(jié)阻尼閥及血泵轉(zhuǎn)速使泵的輸出為：流量5.0 L/min；出、入口壓力差100 mmHg。分別在血泵工作前（0 min）、工作后60 min、120 min、180 min、240 min時(shí)間點(diǎn)抽取血液樣本2 mL，測量樣本中FHB含量和Hct值。最后計(jì)算血泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的標(biāo)準(zhǔn)溶血指數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)溶血指數(shù)（NIH）[13]代表血泵在單位時(shí)間內(nèi)泵出100L壓積標(biāo)準(zhǔn)化血液產(chǎn)生的FHB含量，單位為g/100L。其計(jì)算公式見式（1）：

式中，ΔFHB為測試時(shí)間間隔內(nèi)FHB的增量值（g/L）；V為總循環(huán)容量（L）；Hct為紅細(xì)胞壓積(%)；Q為血泵流量（L/min）；T為測試間隔時(shí)間（min）。

1.4.2 在體溶血實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)獲得首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動物倫理委員會批準(zhǔn)，并嚴(yán)格遵循《北京市實(shí)驗(yàn)動物管理?xiàng)l例》。隨機(jī)選擇健康雄性小尾寒羊2只，體重平均55 kg。術(shù)前24 h禁食禁水，肌注鹿眠寧 （4 mg/kg）和鹽酸塞拉嗪（0.5 mg/kg），經(jīng)左耳靜脈建立靜脈通路，在左頸動脈處植入一個(gè)動脈壓力套管，用于監(jiān)測術(shù)中及術(shù)后血壓。麻醉后經(jīng)左側(cè)第5肋間開胸，剪開心包充分暴露左心室心尖部，分離剝除部分胸降主動脈外膜，經(jīng)靜脈通路給予肝素（1.5 mg/kg），使ACT值保持400 s以上。將血泵入口植入左心室心尖，出口經(jīng)人工血管吻合至降主動脈，形成左心室→心室輔助裝置→降主動脈的旁路。血泵排氣后，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為（2400±20）rpm，按成年羊65 mL/kg輸出量控制輔助流量占總心輸出量的60%左右，靜脈注射魚精蛋白逆轉(zhuǎn)肝素作用，常規(guī)關(guān)胸后持續(xù)進(jìn)行心室輔助。術(shù)前、術(shù)后定期抽血測定FHB含量。

2 結(jié)果

2.1 體外溶血實(shí)驗(yàn)

在兩組（羊1和羊2）體外溶血實(shí)驗(yàn)中，血泵均運(yùn)行平穩(wěn)，無卡殼、漏液等狀況，泵體溫度基本正常。分別于血泵轉(zhuǎn)泵前（0 min）、轉(zhuǎn)泵后 60 min、120 min、180 min、240 min等各時(shí)間點(diǎn)測得血漿中FHB含量和Hct值，根據(jù)公式(1)計(jì)算出血泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中各時(shí)間點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)溶血指數(shù)NIH，見表1。

表1 體外溶血實(shí)驗(yàn)結(jié)果（n=8）

均值：0.0076 g/100L，標(biāo)準(zhǔn)偏差：0.0016 g/100L，最后得出NIH值為（0.0076±0.0016)）g/100L。

2.2 在體溶血實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)羊術(shù)前、術(shù)后定期抽血進(jìn)行血漿FHB 測試。2只羊分別在輔助20天和38天時(shí)，按計(jì)劃實(shí)行安樂死。羊1（存活20天）術(shù)前及植入血泵進(jìn)行輔助循環(huán)20天所測得的FHB含量，見表2。血泵植入后FHB水平開始上升，術(shù)后第一天最高達(dá)到0.0846 g/L，之后逐漸下降，恢復(fù)到術(shù)前正常水平。羊2（存活38天）術(shù)前及植入血泵進(jìn)行輔助循環(huán)38天所測得FHB含量，見表3。血泵植入后FHB水平開始上升，術(shù)后第10天最高達(dá)到1.0957 g/L，之后逐漸下降，恢復(fù)到術(shù)前正常水平范圍。

表2 羊1術(shù)前以及術(shù)后的FHB檢查結(jié)果

表3 羊2術(shù)前及術(shù)后的FHB檢查結(jié)果

3 討論

溶血特性是衡量VAD對血液成分和理化性質(zhì)影響的重要指標(biāo)。通過實(shí)驗(yàn)評估血泵的溶血性能具有重要意義，也是進(jìn)行后期動物在體存活實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)前的必經(jīng)步驟。本研究通過體外和在體實(shí)驗(yàn)對ChinaHeart VAD進(jìn)行了系統(tǒng)的溶血性能測試，取得了滿意的結(jié)果。

體外實(shí)驗(yàn)中保持環(huán)境溫度、血液體積、管道接口位置、連接方式等因素一致，使結(jié)果盡可能反映血泵本身溶血性能。NIH代表血泵輸出100 L壓積標(biāo)準(zhǔn)化血液產(chǎn)生的FHB含量，是目前世界上公認(rèn)的體外評價(jià)血泵溶血性能的金標(biāo)準(zhǔn)。體外溶血實(shí)驗(yàn)測得ChinaHeart VAD血泵的NIH值為（0.0076±0.0016）g/100L，和其他國產(chǎn)血泵比較具有明顯優(yōu)勢，如北京阜外醫(yī)院FW型軸流泵NIH為（0.017±0.006）g/100 L[14]，同時(shí)也優(yōu)于國外一些三代血泵，如歐洲D(zhuǎn)uraHeart離心泵NIH為（0.01～0.03）g/100L[15]，但和國外成功用于臨床的血泵相比還存在一定差距，如TMDU/TIH離心泵NIH為（0.001～0.002）g/100L[16]。TMDU/TIH離心泵在泵體材料、加工工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面做得較好，能夠有效控制溶血，這些也是國產(chǎn)VAD急需提高的地方。血泵體外溶血測試采用新鮮羊血，由于羊的紅細(xì)胞比人的脆性大，同等外界刺激下更易破裂，因此，有理由認(rèn)為ChinaHeart VAD血泵用于人時(shí)溶血性能更好。

心室輔助循環(huán)中常用血漿FHB濃度來衡量紅細(xì)胞的破壞程度。FHB濃度的升高意味著紅細(xì)胞破壞的增加。紅細(xì)胞破碎后FHB進(jìn)入血漿，損害血管舒張和微循環(huán)灌注[18]，引起腎小管壞死、血紅蛋白沉積、堵塞，導(dǎo)致腎功能不全。羊的血漿FHB含量正常值是0～20 mg/dL。本研究在體溶血實(shí)驗(yàn)表明，血泵植入后開始階段FHB含量逐漸升高，分別達(dá)到最大值0.0846 g/L（存活20天）和1.0957 g/L（存活38天），出現(xiàn)輕微溶血，可能是由于術(shù)中輸血激活了炎癥級聯(lián)反應(yīng)引起。圍術(shù)期大量輸液，使血液滲透壓降低，也會導(dǎo)致紅細(xì)胞破裂。血泵運(yùn)行平穩(wěn)后，F(xiàn)HB含量隨之逐漸平穩(wěn)，下降至術(shù)前水平。在體動物溶血實(shí)驗(yàn)中，鑒于成本原因，術(shù)后FHB含量檢測間隔時(shí)間較大，增加測量次數(shù)得到更多數(shù)據(jù)無疑可以更加詳細(xì)地反應(yīng)血泵對血液的影響。

本實(shí)驗(yàn)采用的ChinaHeart VAD血泵由鈦合金材料制造，血液相容性和熱傳導(dǎo)性能良好，機(jī)械產(chǎn)熱低；研制過程中采用CFD技術(shù)，詳細(xì)分析了泵體內(nèi)部流場和剪切力分布，保證沒有劇烈血液流場變化和高且震蕩的剪切力；血液接觸面積?。晦D(zhuǎn)子采用磁懸浮形式驅(qū)動，無軸承磨損；相同輸出流量和壓力下轉(zhuǎn)速低。這些設(shè)計(jì)上的優(yōu)化，大大減少了對紅細(xì)胞的破壞。

4 結(jié)論

體外和在體溶血實(shí)驗(yàn)表明，ChinaHeart VAD血泵具有良好的溶血性能，可以進(jìn)行動物長期慢性存活實(shí)驗(yàn)。

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