王玉璇, 張杰民, 施 超, 劉曉程,*

(1中國醫(yī)學科學院,北京協(xié)和醫(yī)學院, 北京 100730; 2泰達國際心血管病醫(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,很多患者不能及時接受移植手術(shù)而死于難治性心力衰竭,這也極大地促進了心臟機械輔助循環(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)療費用,具有廣泛的臨床應用前景[2,3]。但由于進口裝置價格昂貴,無法在國內(nèi)推廣。目前,國內(nèi)眾多研究機構(gòu)和大的醫(yī)學心臟中心正在致力于血泵的研制和初期試驗工作。

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,也是目前應用到臨床病例數(shù)最多的血泵,但經(jīng)過多年臨床應用后發(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會增加、主機部件多等缺點[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今國內(nèi)外的研究熱點[5,6],目前國外已經(jīng)成功通過臨床前期實驗、正在進行臨床實驗的有 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,成功地進行了體外和在體溶血實驗,效果滿意,報道如下。

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)設計的微型軸流血泵,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 自制軸流泵實體圖Fig 1 The stereogram of the self-made axial flow blood pump

1.2 體外實驗 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,阻尼閥及超聲流量計(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。為獲得更準確的血泵溶血數(shù)據(jù),血泵進行 3次轉(zhuǎn)機溶血實驗,每次分別在轉(zhuǎn)泵前、轉(zhuǎn)泵后30,60,120,180,240,260 min時取血樣標本 3 ml。以11 000 r/min下離心 15 min后取上層血漿標本 1 ml,再次離心 15 min,吸取上清液,應用 UV-2401PC島津紫外分光光度儀檢測血漿中游離血紅蛋白含量。每個時間點取 3次實驗的平均值。目前國際上主要是采用標準溶血指數(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,它代表血泵每泵出 100 L血球壓積標準化的血液,因血球破壞而釋放入血漿的血紅蛋白量。計算公式為:NIH=ΔFHb×V×[(100-Hct)/100]×[100/(Q×T)]。

該公式中,Hct為紅細胞壓積;ΔFHb為間隔時間內(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為檢測時間間隔(min)。經(jīng)過公式計算,最終 NIH的單位為g/100 L。

1.3 在體實驗 實驗遵循天津市實驗動物管理條例進行,并且已經(jīng)獲得天津泰達國際心血管病醫(yī)院實驗動物倫理委員會批準,選擇健康綿羊 3只,平均體重(40±3.8)kg,氯胺酮 10 mg/kg肌肉注射誘導后,建立靜脈通路,使用丙泊酚和異氟烷進行全身靜脈復合麻醉,氣管插管接呼吸機,設定潮氣量 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。準備完畢經(jīng)左側(cè)第四肋間進胸,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,分別在轉(zhuǎn)泵前、轉(zhuǎn)泵后各時間點取血樣標本,測量 FHb、LDH及膽紅素等指標。

2 結(jié)果

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

表1 體外溶血實驗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 在體實驗 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。動物實驗 24 h短期左心室輔助時各時間點 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 在體實驗不同時點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、在體實驗對血泵進行了系統(tǒng)的溶血測試,取得了比較滿意的結(jié)果。

NIH是目前世界公認的體外評價血泵溶血性能的金指標,它代表血泵每泵出 100 L血球壓積標準化的血液,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,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)、機械循環(huán)輔助(mechanical circulatory support,MCS)中的血液破壞程度。當存在血管內(nèi)溶血、紅細胞被破壞時血漿游離血紅蛋白會明顯升高,應用 CPB、MCS等裝置均會引起紅細胞機械性破壞,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天血細胞破壞比較明顯,與國外文獻報道均是在安裝各種輔助裝置治療當日 FHb達到最高值,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,和紅細胞破壞的其他一些相關(guān)指標如 LDH、TBIL及DBIL也一致性的上升,這些充分說明了紅細胞有明顯的破壞。從國外文獻報道看,血泵植入后的24 h內(nèi),紅細胞破壞嚴重,血泵運行平穩(wěn)后,FHb、LDH等都會有明顯的恢復[5,6]。另外初步的動物實驗中各項溶血相關(guān)指標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胞和人及牛相比其脆性更大,對機械破壞更敏感[11]。要想更準確的評估血泵的溶血性質(zhì),還需進行更長時間的輔助,長時間的觀察各項指標的變化規(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)動使得紅細胞在較高的撞擊速度下發(fā)生破裂而導致溶血,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,使血流的剪切應力發(fā)生改變,也可以導致明顯的溶血[13]。除上述血液流體力學改變外,血泵溶血的原因還包括材料血液相容性、非生物接觸面積、機械產(chǎn)熱等幾個方面。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],同時進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)子和前后支撐進行氮化鈦鍍膜。采用產(chǎn)熱小的直流無刷電機、運用反電勢控制,極大地降低了局部產(chǎn)熱。而且血泵體積小,動物實驗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,這些血泵設計上的優(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,初步具備進入動物輔助實驗研究水平。

[1] Assad-Kottner C,Chen D,Jahanyar J,etal.The use of continuous milrinone therapy as bridge to transplant is safe in patients with short waiting times[J].J Card Fail,2008,14(10):839-843.

[2] Untaroiu A,Wood HG,Allaire PE.Implantable axial flow blood pump for left ventricular support[J].Biomed Sci Instrum,2008,44:310-315.

[3] Baughman KL,Jarcho JA.Bridge to life-cardiac mechanical support[J].N Eng J Med,2007,357:846-849.

[4] Myers TJ,Khan T,Frazier OH.Infectiouscomplications associated with ventricular assist systems[J].Am Soc Artif Intern Org J,2000,46(6):28-36.

[5] Pasierski T,Buksinska-Lisik M.Left ventricular assist device-unexpected benefits for the failing heart[J].Kardiol Pol,2008,66(6):678-683.

[6] Zhang Y,Xue S,Gui XM,etal.Digital simulation to the development of axial blood pump for artificial heart[J].Chin J Biomed Eng,2007,26:35-41.

[7] 吳廣輝,藺嫦燕,李冰一,等.自制軸流血泵溶血實驗[J].中國生物醫(yī)學工程學報,2007,26(5):793-795.

[8] El-Banayosy A,Koerfer R,Hetzer R,etal.Initial results of a European multicenter clinical trial with the DuraHeart Mag-Lev centrifugal left ventricular assist device[J].J Heart Lung Transplant,2006,25(Suppl.1):145.

[9] Hideo H,Tadahiko S,Setsuo T.Third-generation blood pumps with mechanical noncontact magnetic bearings[J].Artif Organs,2006,30(50):324-338.

[10] Ahmet K,Timothy N,Tieluo L,etal.Early in vivo experience with the pediatric Jarvik 2000 heart[J].ASAIO,2007,(53):374-378.

[11] Jikuya T,Tsutsui T,Shigeta O,etal.Speciesdifferences in erythrocyte mechanical fragility:comparison of human,bovine,and ovine cells[J].ASAIO,1998,44:452-455.

[12] 云忠,譚建平.基于血液撞擊損傷機理的高速螺旋血泵仿真分析[J].中南大學學報:自然科學版,2008,39(1):135-142.

[13] 羅新錦,孫寒松,李楠,等.機械循環(huán)輔助對術(shù)后患者血漿游離血紅蛋白的影響[J].中國胸心血管外科臨床雜志,2007,14(3):173-176.

[14] 藺嫦燕,侯曉彤,吳廣輝,等.XZ-Ⅱ型軸流血泵的流場分析[J].北京生物醫(yī)學工程,2005,24(6):405-409.

[15] Christiansen S,Perez Bouza A,Reul H,etal.In vivo experimental testing of a microaxial blood pump for right ventricular support[J].Artif Organs,2006,30(2):94-100.