國(guó)產(chǎn)氣動(dòng)搏動(dòng)性心室輔助裝置的體外流體力學(xué)及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)觀察

史國(guó)寧，陳慶良，陳彤云，劉建實(shí)△

國(guó)產(chǎn)氣動(dòng)搏動(dòng)性心室輔助裝置的體外流體力學(xué)及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)觀察

史國(guó)寧1，2，陳慶良2，陳彤云2，劉建實(shí)2△

目的對(duì)我國(guó)自主研發(fā)氣動(dòng)搏動(dòng)性心室輔助裝置進(jìn)行體外流體力學(xué)檢驗(yàn)及活體動(dòng)物應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)其是否滿足臨床心室輔助裝置要求。方法通過體外模擬循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，30%甘油水溶液作為循環(huán)介質(zhì)，接入心室輔助裝置，測(cè)定不同模式下血泵的后負(fù)荷和流量，以此檢測(cè)裝置的流體力學(xué)效果。對(duì)6只實(shí)驗(yàn)犬應(yīng)用心室輔助裝置左心輔助模式1 h，之后藥物KCl誘顫心臟，5 min后除顫。監(jiān)測(cè)心室輔助裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)犬的心率、血壓支持效果。結(jié)果心室輔助裝置流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)后負(fù)荷100 mmHg條件下，流量可達(dá)到4 L/min以上。實(shí)驗(yàn)犬經(jīng)左室安裝輔助裝置后，各時(shí)間點(diǎn)心率無(wú)明顯變化。輔助后即刻與輔助前相比收縮壓升高約30 mmHg，舒張壓升高約19 mmHg。輔助過程中未見明顯血壓波動(dòng)。誘顫后可維持收縮壓60 mmHg，除顫后撤除裝置存活良好。結(jié)論該心室輔助裝置所產(chǎn)生的流體壓力可基本滿足臨床心室輔助要求，短期應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)犬有效、安全、穩(wěn)定，長(zhǎng)期使用效果尚需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明。

心臟，人工；心臟輔助裝置；血流動(dòng)力學(xué)；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)；心室輔助裝置；流體力學(xué)

近年來(lái)我國(guó)心血管疾病的發(fā)病率逐年增高，尤其是終末期心力衰竭的增加已成為嚴(yán)重的社會(huì)公共衛(wèi)生問題。人工心臟——心室輔助裝置（ventricular assistance device，VAD）的出現(xiàn)為藥物和外科治療無(wú)效的心力衰竭或心臟移植前的過渡支持提供了新的治療手段。但在我國(guó)由于裝置材料的生物相容性、耐久性等問題，尚未能達(dá)到生產(chǎn)出成品的要求。由中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所和天津市胸科醫(yī)院共同設(shè)計(jì)并初步生產(chǎn)的一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣動(dòng)隔膜式搏動(dòng)性心臟輔助裝置已通過溶血實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)等檢驗(yàn)，現(xiàn)通過體外模擬循環(huán)臺(tái)對(duì)裝置進(jìn)行體外流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)其后負(fù)荷壓力和流量是否可達(dá)到臨床應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)一步應(yīng)用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，為接下來(lái)的臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及材料選取天津市心臟病研究所提供的實(shí)驗(yàn)用雜交犬6只，體質(zhì)量（35±2）kg。儲(chǔ)血罐、體外循環(huán)用管道（天津塑料儀器廠生產(chǎn)）；阻尼閥、超聲流量計(jì)探頭（大連海峰TDS-100H超聲流量計(jì)）；壓力計(jì)探頭（德國(guó)testo管路內(nèi)液體壓力測(cè)試儀）。采用30%甘油水溶液（上海恒興分析純級(jí)甘油）作為循環(huán)介質(zhì)。

1.2心室輔助裝置的結(jié)構(gòu)與原理裝置設(shè)計(jì)為雙氣動(dòng)膜結(jié)構(gòu)的泵體。其主要包括血腔動(dòng)作膜、雙層氣動(dòng)膜、血腔、氣動(dòng)腔、出入口及相關(guān)附件等7個(gè)部分，見圖1。

此裝置的氣室和血室之間以隔膜分開，氣室通過管路直接和體外驅(qū)動(dòng)器連接，血室有2個(gè)接口，均裝有聚胺酯制作的三葉瓣膜，以維持血流單向流動(dòng)。如作為左室輔助裝置，流入道和左心房或左心室尖連接，流出道直接和升主動(dòng)脈吻合；如作為右室輔助裝置，流入道則連接右心房，流出道連接到肺動(dòng)脈。

1.3心室輔助裝置的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)體外模擬循環(huán)臺(tái)在天津市心臟病研究所動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立。由儲(chǔ)血罐、體外循環(huán)用管道、阻尼閥、超聲流量計(jì)探頭、壓力計(jì)探頭、心室輔助裝置出入接口組成，見圖2。超聲流量計(jì)探頭置于血泵流入端，壓力計(jì)探頭連接于血泵流出端與阻尼閥之間。

采用30%甘油水溶液作為循環(huán)介質(zhì)，其黏滯度接近于血液。氣動(dòng)腔接口連接MEDOS-VAD心室輔助系統(tǒng)，分別采用10 mL、25 mL、60 mL模式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。血泵前負(fù)荷通過變動(dòng)儲(chǔ)血罐與血泵高度調(diào)節(jié)為1.5 m（13 mmHg，1 mmHg=0.133 kPa），后負(fù)荷通過阻尼閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別以阻尼閥全開和調(diào)節(jié)阻尼閥至后負(fù)荷為100 mmHg時(shí)進(jìn)行血泵輸出量檢測(cè)。

1.4心室輔助裝置的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)犬常規(guī)全麻后氣管插管，呼吸機(jī)維持呼吸，肝素化血液，正中鋸開胸骨，分別以4-0 porlin線于左心耳和升主動(dòng)脈縫荷包，插入體外循環(huán)管路（已灌注預(yù)充液），固定，充分排氣后分別連接心室輔助裝置出入口。

左室輔助裝置氣動(dòng)腔接口連接MEDOS-VAD心室輔助系統(tǒng)，選用25 mL左室單心室輔助模式啟動(dòng)。分別于心室輔助前，輔助后即刻、10 min、30 min、1 h記錄實(shí)驗(yàn)犬心率、血壓等生命體征。1 h后以KCl誘顫心律，將左室輔助裝置氣室搏動(dòng)量調(diào)至60 mL，記錄心率、血壓。5 min后心外膜電除顫，恢復(fù)實(shí)驗(yàn)犬正常心律，見圖3。實(shí)驗(yàn)過程中如血壓有較大波動(dòng)即時(shí)記錄，并分析原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后拔出實(shí)驗(yàn)犬左心耳及主動(dòng)脈插管管路，關(guān)胸，記錄關(guān)胸后生命體征。

1.5統(tǒng)計(jì)學(xué)方法使用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。正態(tài)分布數(shù)據(jù)采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，不同時(shí)點(diǎn)間數(shù)據(jù)比較應(yīng)用重復(fù)測(cè)量資料的方差分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

Fig.2The schematic diagram of hydrodynamic testing of ventricular assist device圖2 心室輔助系統(tǒng)體外流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

2 結(jié)果

2.1體外流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在阻尼閥全開時(shí)，心室輔助系統(tǒng)最大可產(chǎn)生69 mmHg壓力、6.6 L/min流量，而在后負(fù)荷壓力達(dá)到100 mmHg以上（即滿足人體正常血壓）時(shí)，裝置最大可產(chǎn)生5.3 L/min流量。如采用較小驅(qū)動(dòng)模式，則可相應(yīng)減少流量，以滿足不同輸出要求，見表1。

Tab.1The in vitro hydrodynamic record of ventricular assist device表1 心室輔助裝置體外流體力學(xué)記錄

心室輔助裝置運(yùn)行過程中氣室活動(dòng)度、密閉性及瓣膜抗返流均良好，由MEDOS-VAD心室輔助系統(tǒng)帶動(dòng)，性能穩(wěn)定。

2.2動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)犬在心室輔助裝置啟動(dòng)后，心率在輔助期間各時(shí)間點(diǎn)、關(guān)胸后與輔助前比較無(wú)明顯變化，輔助后即刻與輔助前比較動(dòng)脈收縮壓升高約30 mmHg，舒張壓升高約19 mmHg，輔助過程中未見明顯血壓波動(dòng)。在室顫后，心室輔助可維持收縮壓在60 mmHg以上，除顫后血壓、心率恢復(fù)正常，撤除輔助裝置關(guān)胸后6只實(shí)驗(yàn)犬循環(huán)穩(wěn)定，血壓、心率正常，生命體征正常。見表2。實(shí)驗(yàn)過程中均未見明顯血紅蛋白尿，血泵拆除后血腔內(nèi)未見明顯血栓，但瓣膜處可見少量血栓。

Tab.2The record of basic and vital signs in experimental dogs表2 實(shí)驗(yàn)犬基本生命體征記（n=6

Tab.2The record of basic and vital signs in experimental dogs表2 實(shí)驗(yàn)犬基本生命體征記（n=6

＊＊P＜0.01；a與T1比較，b與T2比較，c與T3比較，d與T4比較，e與T5比較，f與T6比較，g與T7比較，P＜0.05

輔助前（T1）125±17 95±17 62±10臨床參數(shù)心率（次/min）收縮壓（mmHg）舒張壓（mmHg）輔助后即刻（T2）131±22 125±19a 81±11a輔助后10 min（T3）120±10 127±23a 89±12ab輔助后30 min（T4）129±22 135±21a 95±12abc輔助后1 h（T5）127±19 133±22a 92±11ab F 916.211＊＊272.287＊＊360.804＊＊臨床參數(shù)心率（次/min）收縮壓（mmHg）舒張壓（mmHg）室顫（T6）-64±9abcde 17±7abcde除顫后（T7）107±29b 102±24bcdef 58±13bcdef關(guān)胸后（T8）136±30 119±29f 70±13bcdefg

3 討論

3.1心室輔助裝置概述心室輔助裝置經(jīng)過多年的發(fā)展，先后出現(xiàn)了容積式血泵、軸流式血泵、電磁懸浮式旋轉(zhuǎn)離心泵，即所謂的第一代、第二代和第三代血泵裝置。第一代血泵具有搏動(dòng)性泵血，更符合人體生理狀態(tài)的特點(diǎn)，是歐洲最早開始也是技術(shù)最成熟的一種，并在北美也有一定量的臨床應(yīng)用［1］。第二代、第三代均為非搏動(dòng)性泵血，第二代體積更小而第三代對(duì)血球破壞小，更耐久［2-4］。本實(shí)驗(yàn)所應(yīng)用的氣動(dòng)搏動(dòng)性心室輔助裝置屬于第一代血泵，和歐美國(guó)家生產(chǎn)的Berlin Heart Excor，Abiomed BVS5000等相比，在材料上使用了新型生物相容性聚氨酯，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，且造價(jià)更低［5］。在之前的溶血實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)、血小板黏附實(shí)驗(yàn)中，材料均表現(xiàn)出良好的生物醫(yī)學(xué)性能［6］，符合進(jìn)一步進(jìn)行整體裝置實(shí)驗(yàn)的要求。

3.2本裝置流體力學(xué)檢驗(yàn)作為輔助心室功能的血泵，首先要求在維持一定血壓的前提下，輸出量能夠滿足人體需求。本流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)通過調(diào)整儲(chǔ)血罐液面高度，模擬正常人體左心室舒張末期壓力5～15 mmHg，阻尼閥調(diào)節(jié)心室輔助裝置后負(fù)荷至100 mmHg左右（即正常成人平均血壓），在氣室60 mL驅(qū)動(dòng)模式下，流量可到達(dá)5.3 L/min，符合正常成人心搏出量；而在10 mL、20 mL驅(qū)動(dòng)模式下，流量分別為2.7 L/min和4.2 L/min，也基本可滿足臨床對(duì)小兒心衰的輔助要求。此外，當(dāng)實(shí)驗(yàn)中后負(fù)荷壓力下降，流量（血泵搏出量）會(huì)相應(yīng)上升，這是氣動(dòng)搏動(dòng)性血泵的優(yōu)勢(shì)之一，臨床應(yīng)用時(shí)，當(dāng)患者血壓降低，經(jīng)過輔助后的心搏出量會(huì)相應(yīng)增加，以彌補(bǔ)器官灌注的不足。該心室輔助裝置實(shí)驗(yàn)過程中未發(fā)現(xiàn)有漏液等現(xiàn)象，且通過壓力計(jì)讀數(shù)觀察未發(fā)現(xiàn)人工瓣膜有明顯返流。

3.3本裝置動(dòng)物學(xué)實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)依照犬心臟大小選取25 mL模式啟動(dòng)，可見將收縮壓提高30 mmHg左右，而舒張壓提高19 mmHg左右，從啟動(dòng)即刻至1 h，未見血壓有明顯波動(dòng)，且心率無(wú)明顯變化，說(shuō)明心室輔助應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物安全穩(wěn)定。但實(shí)驗(yàn)犬在實(shí)驗(yàn)過程中處于麻醉靜息狀態(tài)，如在清醒活動(dòng)狀態(tài)下，自身基礎(chǔ)血壓和心率可能會(huì)有波動(dòng)，且隨著體位的變化，血泵的穩(wěn)定性和與心臟搏動(dòng)的同步性均需要進(jìn)一步驗(yàn)證。室顫時(shí)，提高血泵搏出量至60 mL，收縮壓與舒張壓均可維持于一定水平，持續(xù)室顫5 min，除顫復(fù)律后心臟搏動(dòng)良好，血壓與室顫前一致。臨床中慢性心衰患者通常心室擴(kuò)大，心臟電傳導(dǎo)性差，易發(fā)生室性心律失常。應(yīng)用心室輔助裝置，可為提高電除顫復(fù)蘇成功率提供有效保障。實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)犬未出現(xiàn)血紅蛋白尿，表明血泵對(duì)血細(xì)胞破壞較小，無(wú)明顯溶血發(fā)生，但在實(shí)驗(yàn)完畢后清洗血泵時(shí)發(fā)現(xiàn)人工瓣膜處有少量血栓。血栓的形成是影響心室輔助裝置長(zhǎng)期使用的最主要制約因素，目前在Berlin Heart Excor等應(yīng)用中已提出應(yīng)用肝素涂層管路可有效降低血栓發(fā)生率［7］。在今后的裝置設(shè)計(jì)中如嘗試對(duì)人工瓣膜進(jìn)行肝素處理，或在材料選用上改用組織相容性更好的人工材料甚至同種材料，將會(huì)對(duì)該血泵的耐久性有更好的提升。

通過體外流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)和短期動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，該心室輔助裝置運(yùn)行穩(wěn)定，輸出量達(dá)到預(yù)期目的。但目前心室輔助裝置實(shí)驗(yàn)尚為短效實(shí)驗(yàn)，且僅為左室單心室輔助模式，距離進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段還需長(zhǎng)期動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以及全心室輔助模型等的進(jìn)一步檢驗(yàn)。

（圖1、3見插頁(yè)）

［1］Almond CS，Morales DL，Blackstone EH，et al.Berlin Heart EX?COR pediatric ventricular assist device for bridge to heart transplan?tation in US children［J］.Circulation，2013，127（16）:1702-1711.doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.112.000685.

［2］MitterN，SheinbergR.Updateonventricularassistdevices［J］.CurrOpin Anaesthesiol，2010，23（1）:57-66.doi:10.1097/ACO.0b013e3283346c83.

［3］John R.Current axial-flow devices--the HeartMate II and Jarvik 2000 left ventricular assist devices［J］.Semin Thorac CardiovascSurg，2008，20（3）:264-272.doi:10.1053/j.semtcvs.2008.08.001.

［4］Agarwal S，High KM.Newer-generation ventricular assist devices［J］.Best Pract Res Clin Anaesthesiol，2012，26（2）:117-130.doi: 10.1016/j.bpa.2012.01.003.

［5］Feng YK，Zhao HY，Zhang L，et al.Surface modification of biomaterials by photochemical immobilization and photograft polymerization to improve hemocompatibility［J］.Frontiers of Chemical Engineering in China，2010，4（3）:372-381.doi：10.1007/s11705-010-0005-z.

［6］Wang HY，F(xiàn)eng YK，Behl M，et al.Hemocompatible polyurethane/ gelatin-heparin nanofibrous scaffolds formed by a bi-layer electros? pinning technique as potential artificial blood vessels［J］.Frontiers of Chemical Science and Engineering，2011，5（3）:392-400.doi：10.1007/sl1705-011-1202-0.

［7］Beiras-Fernandez A，Kanzler I，Michel S，et al.Platelet factor 4-positive thrombi adhering to the ventricles of a ventricular assist de?vice in patients with heparin-induced thrombocytopenia type II［J］. Transplant Proc，2013，45（5）:2013-2016.doi:10.1016/j.transpro?ceed.2013.01.045.

（2014-11-10收稿 2015-03-10修回）

（本文編輯 李鵬）

Study of hydrodynamic in vitro and animal experiment of a homebred pneumatic pulsatile ventricular assist device

SHI Guoning1，2，CHEN Qingliang2，CHEN Tongyun2，LIU Jianshi2△
1 Tianjin Medical University，Tianjin 300070，China；2 Department of Cardiac Surgery，Tianjin Chest Hospital△

ObjectiveTo study in vitro hydrodynamics of a pneumatic pulsatile ventricular assist device developed ex?clusively by China，and establish an animal model for the detection by the device.MethodsThe hydromechanics experi?ment was performed on an in vitro test loop using MEDOS-System to drive the ventricular assist device，and lycerl-water so?lution was used as circulating medium.The changes of afterload pressure and the output of the pump were monitored，and the impermeability and stability were also assessed after the experiment.Six adult dogs were used as the experimental animals. The device worked in the left heart assistance mode for 1 hour then the ventricular fibrillation was induced by potassium chloride，and then defibrillated after 5 min while the device remained working.The hemodynamics data were monitored con?secutively during the trial.ResultsThe ventricular assist device worked stably and reliably during the hemodynamic exper?iment.The pump can generate more than 4 L/min flow against the afterload pressure of 100 mmHg.There were no significant changes in heart rate at different time points in experimental dogs after left ventricular assist.Comparison between after auxil?iary immediately and former auxiliary，the diastolic blood pressure of dogs increased 30 mmHg with the ventricular assist，and the diastolic pressure increased 19 mmHg.No obvious fluctuation in blood pressure was found during the auxiliary pro?cess.The diastolic blood pressure stayed at 60 mmHg when the heart was in ventricular fibrillation，and returned to normal after electrical defibrillation.ConclusionThe ventricular assist device works stably in vitro test，and the pump can meet the need of adult’s ventricular assist.It is effective and security to dogs in short term.The effects of long-term use need to be future proved.

heart，artificial；heart-assist devices；hemodynamics；animal experimentation；ventricular assist device；hydromechanics

R318.11，R356

A

10.11958/j.issn.0253-9896.2015.07.011

天津市科委科技支撐計(jì)劃（08ZCKFSF03300）

1天津醫(yī)科大學(xué)（郵編300070）；2天津市胸科醫(yī)院心臟外科

史國(guó)寧（1981），男，碩士在讀，主要從事胸心外科方面的研究

△通訊作者E-mail：jianshiliu@aliyun.com