磁懸浮技術(shù)在醫(yī)療器械研發(fā)方面的應(yīng)用進(jìn)展

單麗宇，張楠，馬鋒，呂毅,c，賀海奇,d

西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院 a.精準(zhǔn)外科與再生醫(yī)學(xué)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心；b.陜西省再生醫(yī)學(xué)與外科工程研究中心；c.肝膽外科；d.胸外科，陜西 西安 710061

引言

磁懸浮技術(shù)（Magnetic Levitation Technology，MLT）[1-2]，又稱磁浮，是一種借助非接觸力使物體懸浮的方法。磁力用于抵消重力加速度和任何其他加速度的影響，主要用于磁懸浮列車、非接觸式熔化、磁性軸承以及產(chǎn)品展示。歷史上德國(guó)最先對(duì)磁懸浮技術(shù)展開研究，1922年德國(guó)工程師赫爾曼提出電磁懸浮原理，并于1934年申請(qǐng)了磁懸浮列車的專利。隨著磁外科的發(fā)展，磁懸浮技術(shù)在臨床醫(yī)療器械的研發(fā)中也占有了一席之地。

1 MLT在人工心臟中的應(yīng)用

我國(guó)為心血管疾病大國(guó)，其中心力衰竭患者約450萬，成為重大的醫(yī)療負(fù)擔(dān)[3]。盡管藥物治療、心臟同步化治療等手段一定程度上改善了心力衰竭患者的生存情況，但對(duì)于終末期患者而言，心臟移植手術(shù)仍然是金標(biāo)準(zhǔn)[4]。心臟移植患者術(shù)后5年、10年生存率可達(dá)70%、60%[5]。但是，伴隨患者群體擴(kuò)大，而捐獻(xiàn)心臟的數(shù)量有限，現(xiàn)實(shí)能獲益于心臟移植術(shù)的患者群體較小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年只有約5000名患者接受心臟移植，成千上萬的病人在等待移植心臟的過程中死亡[6]。

采用心室輔助裝置（Ventricular Assist Device，VAD）的循環(huán)機(jī)械支持系統(tǒng)的發(fā)展，為心衰晚期患者提供了替代性治療方案。VAD可用作心臟移植前的過渡支持治療[7-8]或永久性替代治療[8]。有利于晚期心衰患者的生存率提高以及生活質(zhì)量的改善[9]。循環(huán)支持系統(tǒng)由血泵、驅(qū)動(dòng)裝置、監(jiān)控系統(tǒng)、能源四個(gè)部分構(gòu)成，其中血泵是整個(gè)系統(tǒng)的最關(guān)鍵部件。

第1代及第2代人工心臟與藥物治療相比顯著提高了患者存活率，但仍存在相應(yīng)技術(shù)缺陷[10]。

1.1 第1代裝置——仿生型

第1代VAD是搏動(dòng)性容積式泵，包括HeartMate Ⅰ（HM Ⅰ）、Thoratec體旁式心室輔助裝置（Paracorporeal Ventricular Assist Device，PVAD）和Novacor。這些搏動(dòng)性容積式裝置可提供良好的血流動(dòng)力學(xué)支持，提高患者生存率。但裝置存在體積大、損耗率高、手術(shù)切口大、易感染等限制因素，目前很少應(yīng)用。

1.2 第2代裝置——功能型

2014年INTERMACS報(bào)告顯示，第2代裝置(軸流泵或離心泵)逐漸取代了第1代搏動(dòng)泵[11]。與第1代裝置不同，連續(xù)血流泵只有轉(zhuǎn)子這一個(gè)活動(dòng)部件，因此要耐用得多。第2代人工心臟的尺寸、噪聲及植入創(chuàng)傷更小；連續(xù)血流泵小體積的驅(qū)動(dòng)管路也大大降低了感染率。包括HeartMate II（Abbott）、Jarvik 2000（JarvikHeart）、HeartAssist 5（ReliantHeart）等。然而，第二代VAD容易形成血栓，導(dǎo)致嚴(yán)重的臨床并發(fā)癥。

1.3 第3代裝置——磁懸浮

第3代VAD開創(chuàng)性地運(yùn)用了磁懸浮技術(shù)，對(duì)血泵內(nèi)的轉(zhuǎn)子葉輪提供磁力支持，使其穩(wěn)定懸浮，減少磨損。磁懸浮人工心臟泵主要有離心式和軸流式兩種。離心式磁懸浮人工心臟外形短粗，體積比較大，易于加工，在相同揚(yáng)程和流量的情況下轉(zhuǎn)速更低，可有效降低對(duì)血細(xì)胞的破壞；軸流式則體積小，加工難度高，葉輪轉(zhuǎn)速快，因而對(duì)溶血的控制更難[12]。

以磁懸浮為核心技術(shù)的人工心臟具有如下優(yōu)勢(shì)：① 無機(jī)械磨損，壽命長(zhǎng)。血泵中的葉輪轉(zhuǎn)子借助磁力懸浮，避免與定子之間的機(jī)械接觸二造成磨損，很大程度延長(zhǎng)了使用壽命；② 動(dòng)態(tài)性能好，易于主動(dòng)控制。血泵采用點(diǎn)磁力支承，通過修改系統(tǒng)控制參數(shù)可使磁力支承的剛度和阻尼控制在一定范圍內(nèi)，因而使整個(gè)血泵裝置具有很好的動(dòng)態(tài)性能；③ 生理相容性良好。磁懸浮軸承減少了血液滯留區(qū)，同時(shí)減少了轉(zhuǎn)子對(duì)血細(xì)胞的破壞，降低了血栓和溶血發(fā)生的概率；④ 體積小，功耗低。由于磁懸浮血泵不需要傳統(tǒng)軸承中的支持以及潤(rùn)滑系統(tǒng)，因此能夠進(jìn)一步減小體積和功耗，適合于體內(nèi)移植；⑤ 無需密封及潤(rùn)滑。人工心臟磁懸浮系統(tǒng)浸沒在血液中工作，無需密封及潤(rùn)滑劑，避免對(duì)血液造成污染，節(jié)約成本。

1.3.1 國(guó)外磁懸浮人工心臟

（1）HeartWare。Heartware泵無機(jī)械承軸，可直接植入心包腔。裝置內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)得到改善以進(jìn)一步降低血栓形成和溶血的風(fēng)險(xiǎn)。泵重140 g，外徑53 mm，葉輪轉(zhuǎn)速為1800～4000 rpm，可產(chǎn)生最大10 L/min的血流。該離心式裝置的特點(diǎn)是利用磁懸浮技術(shù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，在降低紅細(xì)胞所受剪切應(yīng)力的同時(shí)減小了轉(zhuǎn)子的機(jī)械磨損[13]。HeartWare實(shí)物圖[1]，見圖1。一項(xiàng)隨機(jī)多中心試驗(yàn)比較了HeartWare離心血流裝置和HM Ⅱ軸流裝置，結(jié)果顯示二者療效無顯著性差異；HeartWare組的腦卒中（29.7%vs.12.1%）、右心衰和膿毒癥發(fā)生率較高，而HM Ⅱ組的裝置故障率較高（16.2%vs.8.8%）[14]。

（2）HeartMate 3。HeartMate 3是一種植入左室心尖部的完全磁懸浮式離心血流裝置。泵重200 g，直徑55 mm，厚度33 mm，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3000～9000 rpm，可產(chǎn)生最大10 L/min的血流，見圖2。該裝置通過驅(qū)動(dòng)線圈及其中的電流，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的可操控性，產(chǎn)生的固有人工泵脈沖，可減少泵內(nèi)的血液瘀滯。除此之外，轉(zhuǎn)子在不同自由度產(chǎn)生的主被動(dòng)磁懸浮切換，進(jìn)一步降低了血栓形成的風(fēng)險(xiǎn)。Heatley等[15]和Goldstein等[16]的隨機(jī)多中心研究發(fā)現(xiàn)，接受HeartMate 3植入的患者生存率、血栓形成率及卒中發(fā)生率較HeartMate II均有明顯改善，76.9%的患者兩年內(nèi)未進(jìn)行血泵的更換，證明可有效提高難治性心衰患者的生活質(zhì)量。Vasanthan等[14]指出，這種保留胸骨的第3代工心臟植入術(shù)有望成為末期心衰患者的首選治療方式。截至2019年3月，HeartMate 3已完成4例臨床試驗(yàn)。HeartMate 3分別于2015年、2017年獲得歐盟CE及美國(guó)FDA認(rèn)證，隨即展開的大規(guī)模臨床研究均取得良好效果。有利于推進(jìn)人工心臟，特別是第三代磁懸浮人工心臟的臨床應(yīng)用及人工心臟市場(chǎng)的增長(zhǎng)。

圖1 HeartWare

圖2 HeartMate 3

1.3.2 國(guó)內(nèi)磁懸浮人工心臟

（1）China Heart VAD（蘇州同心）。China Heart VAD是阜外醫(yī)院聯(lián)合蘇州同心醫(yī)療科技有限公司自主研發(fā)的第三代磁懸浮VAD，被稱為世界上最先進(jìn)的人工心臟。厚度26 mm，直徑50 mm，質(zhì)量不到180 g，見圖3。該裝置利用永磁鐵和電磁鐵的各自特點(diǎn)，借助“杠桿”式的精巧調(diào)制方法，不僅降低電磁鐵的體積和功耗要求，還實(shí)現(xiàn)減小齒輪直徑，將血泵體積整體縮小，達(dá)到了“四兩撥千斤”的效果。此外，磁懸浮技術(shù)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，血液高速通過血泵從而解決了血栓形成的問題。藺嫦燕等[17]通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)評(píng)估進(jìn)一步證明了其具有良好的可靠性和血液相容性。目前，China Heart VAD已成功完成臨床試驗(yàn)手術(shù)4例、人道主義救援手術(shù)3例，總共7例。2017年6月，China Heart VAD（蘇州同心）完成中國(guó)食品藥品檢定研究院大動(dòng)物報(bào)備實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)入國(guó)家創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審批“快通道”，目前正處于臨床試驗(yàn)階段。

（2）HeartCon（航天泰心）。HeartCon心室輔助裝置（“火箭心”）[17]直徑45 mm、質(zhì)量180 g、功耗5 W，產(chǎn)品整體性能達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。該血泵裝置利用徑向永磁軸承為轉(zhuǎn)子組件提供徑向支撐力，并且通過磁性防護(hù)部和電機(jī)磁鋼的共同作用為轉(zhuǎn)子組件提供了軸向預(yù)緊力，與導(dǎo)流片共同作用從而在軸向上支撐轉(zhuǎn)子組件[18]。許劍等[19]的動(dòng)物長(zhǎng)期體內(nèi)評(píng)價(jià)研究顯示，HeartCon具有良好的生物相容性和穩(wěn)定的機(jī)械性能。該產(chǎn)品擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，已于2019年3月開展臨床試驗(yàn)，所有零部件均在中國(guó)制造。

圖3 ChinaHeart心室輔助裝置

（3）EVAHEART I（永仁心）。重慶永仁心醫(yī)療機(jī)械有限公司于2014年從日本引進(jìn)EVAHEART項(xiàng)目，2018年1月與中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院等三家醫(yī)院進(jìn)行了15例臨床植入手術(shù)，術(shù)后患者恢復(fù)順利并未發(fā)生相關(guān)并發(fā)癥，一年半的成活率達(dá)100%。2019年8月26日，EVAHEART I（永仁心）獲得注冊(cè)產(chǎn)品許可，上市[20]。EVAHEART I具有改善血流動(dòng)力學(xué)、生物相容性好等優(yōu)勢(shì)，引入我國(guó)前已完成200多例臨床手術(shù)，患者最長(zhǎng)生存時(shí)間超過10年。目前“永仁心”已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)[20]。

1.4 安全性及有效性

Mehra等[21]的研究對(duì)比了第二、三代人工心臟的治療效果，發(fā)現(xiàn)植入磁懸浮人工心臟患者在6個(gè)月內(nèi)無卒中等相關(guān)并發(fā)癥及死亡的發(fā)生，無因血栓導(dǎo)致的緊急二次手術(shù)。此外，由于第一代人工心臟體積過大，植入后常發(fā)生腹部并發(fā)癥，如胃腸梗阻、瘺管和粘連。體積趨小化的磁懸浮人工心臟則可有效規(guī)避此類不良事件的發(fā)生。美國(guó)2019胸外科醫(yī)師協(xié)會(huì)報(bào)告中指出植入磁懸浮人工心臟的患者術(shù)后生存率及生活質(zhì)量均有顯著提高[22]。

我國(guó)自主研發(fā)的磁懸浮人工心臟通過在有效范圍內(nèi)降低磁體使用的功率要求，實(shí)現(xiàn)了體積最小化，適于婦女和兒童的植入，進(jìn)一步擴(kuò)大了該手術(shù)的適用范圍。目前，阜外醫(yī)院正在對(duì)人工心臟進(jìn)行實(shí)時(shí)老化測(cè)試，從2017年3月開始，截至2020年5月已3年3個(gè)月。而且，第一名受益于“中國(guó)心”的29歲患者表示接受人工心臟植入后運(yùn)動(dòng)負(fù)荷等各方面生理機(jī)能有了明顯提升。

另外，“永仁心”使用的是離心泵，質(zhì)保30年。在輔助治療效果上具有明顯優(yōu)勢(shì)，但在體積最小化上同心醫(yī)療更為成熟。

2 MLT在人工關(guān)節(jié)中的應(yīng)用

人工關(guān)節(jié)置換術(shù)是治療骨關(guān)節(jié)疾病的有效治療方法，可有效減輕關(guān)節(jié)形變導(dǎo)致的疼痛并恢復(fù)關(guān)節(jié)功能[23]。目前的人工關(guān)節(jié)存在如關(guān)節(jié)吸收和松動(dòng)的問題，長(zhǎng)期磨損極大程度限制了其使用壽命，多次置換不僅增加了關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體周圍感染的發(fā)生率[24-25]，也給患者帶來極大痛苦。磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用可通過減少摩擦而有效增強(qiáng)關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，有望取代現(xiàn)有技術(shù)。

戴閩等[26]于2010年提出了一種磁懸浮人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，將釹鐵硼永磁體放置于假體中，借助關(guān)節(jié)凹面和凸面的磁性斥力減小關(guān)節(jié)承重面負(fù)荷，人工磁懸浮關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)圖，見圖4。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)及磁力分析結(jié)果均指出，人工磁懸浮關(guān)節(jié)具有可行性及安全性，可以增加關(guān)節(jié)彈性，有效降低假體松動(dòng)的發(fā)生率。

圖4 人工磁懸浮關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)

3 MLT在頸椎疾病中的應(yīng)用

頸椎病是一種危害極大的慢性退行性病變，已成為現(xiàn)代職業(yè)病，呈多發(fā)、年輕化趨勢(shì)，嚴(yán)重影響人們的正常生活和工作學(xué)習(xí)。由于頸椎椎間距離變窄,擠壓椎間盤形成突出和骨質(zhì)增生,壓迫神經(jīng)根引起不同程度的頸部疼痛等癥狀。目前對(duì)于頸椎病的治療方法主要包括藥物治療、物理因子治療、運(yùn)動(dòng)療法、手法治療、針灸治療、注射治療及行為治療。其中，牽引治療可有效減輕患者疼痛并改善神經(jīng)壓迫癥狀[27-28]。然而，目前的頸椎牽引裝置存在諸多不足，比如，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用不便；裝置笨重，佩戴不適等。

呂毅等[29]于2018年提出了一種磁懸浮頸椎牽引裝置，具備軸向牽引、水平轉(zhuǎn)動(dòng)及磁療功能及效果，突破了現(xiàn)有頸椎牽引裝置對(duì)患者頭部運(yùn)動(dòng)的限制。并于2020年3月在陜西省產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)會(huì)進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化推廣，這一裝置有望在不久的將來應(yīng)用于臨床。

4 討論

目前使用的磁懸浮人工心臟雖然很大程度提高了人工心臟的治療效率，擴(kuò)大了適應(yīng)人群，但是由于植入式人工心臟需留電源線從腹壁引出，因此在長(zhǎng)期功能上也許會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)問題。此外，軸流式可提供連續(xù)血流，但與人體心臟生物搏動(dòng)性不相符，未來混合搏動(dòng)式血泵可能為人工心臟的發(fā)展方向之一[30]。王坤等[31]對(duì)于3D打印磁懸浮輔助泵的研究已獲得實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，為未來人工心臟的全面推廣及應(yīng)用提供了一定參考依據(jù)。國(guó)內(nèi)對(duì)于植入磁懸浮人工心臟患者術(shù)后康復(fù)方案、心功能評(píng)估的方法以及長(zhǎng)期預(yù)后情況未見報(bào)道，這與磁懸浮人工心臟尚未在臨床全面開展有關(guān)。

另外，磁懸浮人工關(guān)節(jié)及磁懸浮頸椎牽引裝置可有效改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，延長(zhǎng)裝置的使用壽命，改善患者的治療體驗(yàn)。但由于尚未在全國(guó)范圍內(nèi)普及，目前缺乏大量的臨床數(shù)據(jù)支持。王越等[32]指出，創(chuàng)新人才不足、學(xué)科門檻較高等是導(dǎo)致我國(guó)在醫(yī)療器械研發(fā)領(lǐng)域處于落后地位的主要原因。隨著國(guó)家對(duì)生命醫(yī)學(xué)等重大學(xué)科領(lǐng)域的重視及各項(xiàng)利好政策的出臺(tái)，以磁懸浮技術(shù)為代表的磁外科學(xué)體系有利于處于世界領(lǐng)先地位?？傮w而言，磁懸浮技術(shù)對(duì)于臨床問題的解決有極大的潛能。隨著生物、材料等學(xué)科技術(shù)進(jìn)一步的應(yīng)用、發(fā)展、突破，該技術(shù)在改進(jìn)現(xiàn)存缺陷的基礎(chǔ)上有望于繼續(xù)拓寬學(xué)科領(lǐng)域，在臨床醫(yī)學(xué)中發(fā)揮更大的作用。