李靜文，李軼江，陶 軍，王 臻，彭金星，周曉健，胡 強(qiáng)

在心臟直視手術(shù)中，心肺轉(zhuǎn)流（cardiopulmonary bypass，CPB）是不可缺少的部分，其有效地保證患者手術(shù)安全與術(shù)野清晰［1］。膜式氧合器是CPB中重要組成部分之一，通過高分子纖維膜，模擬生物肺肺泡氣體交換，完成O2和CO2的交換。中空纖維膜是膜式氧合器內(nèi)氣血交換的主要部位，除對(duì)膜材料改進(jìn)外，對(duì)氧合器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，可以降低血流阻力，減輕血液破壞，更有利于氧合功能。由于膜式氧合器內(nèi)血流擴(kuò)散效率不佳，會(huì)導(dǎo)致中空纖維膜利用率降低［2］。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，設(shè)計(jì)研發(fā)出螺旋導(dǎo)流集成式膜式氧合器，其內(nèi)部螺旋導(dǎo)流構(gòu)件是由芯軸體與環(huán)形導(dǎo)流板構(gòu)成（圖1）。一方面，可以保證血液以均勻分布的螺旋線方式切入、螺旋流動(dòng)及切向離開，同時(shí)多孔導(dǎo)流板對(duì)內(nèi)部血液進(jìn)行二次分流，

實(shí)現(xiàn)流體在徑向?qū)Я鞣较虻木鶆蚩刂?；另一方面，可以保證流動(dòng)截面的緩和增大與流體路徑方向改變減少，跨膜壓差、血液破壞及血漿滲漏率顯著性降低［3］。本研究采用的螺旋導(dǎo)流集成式膜式氧合器最大設(shè)計(jì)流量為7 L／min，在流量范圍內(nèi)，預(yù)計(jì)可以完成血液氧合與二氧化碳排除，調(diào)節(jié)血液溫度，并且集成式動(dòng)脈微栓濾器可以過濾＞38 μm的氣泡與微粒。本研究目的是通過螺旋導(dǎo)流集成式膜式氧合器與Maquet公司的Quadrox-I膜式氧合器的比較，對(duì)其安全性與有效性進(jìn)行臨床前研究，為將來的臨床研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料 本研究選擇普通級(jí)巴馬豬，動(dòng)物體重范圍為（85±5）kg，雌雄不限，正常飲食，購自廣州飼料研究所。螺旋導(dǎo)流集成式膜式氧合器由東莞科威醫(yī)療器械有限公司提供，Quadrox-I膜式氧合器購自Maquet公司。其他主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料包括:麻醉機(jī)（Drager公司，德國）、多通道監(jiān)護(hù)儀（邁瑞公司）、人工心肺機(jī)（Stocket公司，德國）、血氧飽和度檢測(cè)儀（Medtronic公司，美國）、變溫水箱（Stocket公司，德國）、活化凝血時(shí)間（activated clotting time，ACT）測(cè)試儀（Medtronic公司，美國）、乳酸林格液（山東威高公司）、羥乙基淀粉130／0.4氯化鈉注射液（北京費(fèi)森尤斯卡比公司）、魚精蛋白（上海第一生化藥業(yè)有限公司）、丙泊酚（AstraZeneca公司，英國），異氟烷（Abbott Laboratories公司，美國）等。

1.2 方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)分組 選取普通級(jí)巴馬豬9只，按照隨機(jī)數(shù)字表隨機(jī)分為:①實(shí)驗(yàn)組（螺旋導(dǎo)流集成式膜式氧合器）6只，其中4只為術(shù)畢取組織樣本，2只為術(shù)后30天取組織樣本，②對(duì)照組（Quadrox-I膜式氧合器）3只，均為術(shù)畢取組織樣本。

1.2.2 CPB動(dòng)物模型 所有實(shí)驗(yàn)動(dòng)物術(shù)前空腹12 h與禁水8 h。麻醉采用鹽酸賽拉嗪肌肉內(nèi)注射，待失去意識(shí)后，進(jìn)行氣管插管，連接麻醉機(jī)，予呼吸機(jī)輔助呼吸，通氣量為 10 ml／kg，呼吸次數(shù)為 16 次／min，氧流量2 L／min，氧濃度50%。耳緣靜脈建立靜脈通道，靜脈內(nèi)緩慢滴注丙泊酚（2～8 mg／kg）維持麻醉。術(shù)中如動(dòng)物發(fā)生蘇醒，使用異氟烷（0～5%）給予吸入麻醉維持。術(shù)中監(jiān)測(cè)動(dòng)物心率、股動(dòng)脈壓力、股靜脈壓力、血氧飽和度、鼻咽溫、尿量及ACT等。采用100 mg肝素、500 ml乳酸鈉林格、1 000 ml羥乙基淀粉、10 mg托拉塞米及100 mg氫化潑尼松預(yù)充CPB管路。

圖1 集成式流體徑向螺旋導(dǎo)流結(jié)構(gòu)示意圖

手術(shù)入路采取正中劈開胸骨，上、下腔靜脈至心尖部“T”字型切開心包，懸吊心包，全身肝素化（3 mg／kg），分別于升主動(dòng)脈和右心房 4～0 Proline雙荷包縫合，并分別于荷包線中心置入合適的動(dòng)脈插管，雙級(jí)靜脈插管。當(dāng)ACT＞480 s后開始CPB，給予 70%氧濃度，2.5～3 L／min通氣量開始轉(zhuǎn)機(jī)，給予7 L／min全流量后，開始降溫，水箱溫度設(shè)置為30℃，降至鼻咽溫32℃停止降溫并維持此溫度，以50%氧濃度，通氣量 2.5～3 L／min 流量維持 2.5 h 或者4 h后開始復(fù)溫，氧濃度恢復(fù)70%，水箱溫度設(shè)置為37℃，復(fù)溫至鼻咽溫36.5℃，轉(zhuǎn)流時(shí)間為3 h或6 h停機(jī)。除轉(zhuǎn)流時(shí)間為3 h的2只實(shí)驗(yàn)動(dòng)物術(shù)后30 d取組織標(biāo)本外，其余實(shí)驗(yàn)動(dòng)物均在術(shù)后1 h，采集血樣檢測(cè)后處死。

1.2.3 主要終點(diǎn)與次要終點(diǎn)指標(biāo) 主要終點(diǎn)指標(biāo):①氧合性能:動(dòng)脈血?dú)庋醴謮海≒aO2）＞150 mm Hg；②二氧化碳排出能力:動(dòng)脈血?dú)舛趸挤謮海≒aCO2）≤ 45 mm Hg；③變溫速率:降溫速率為從開始降溫或復(fù)溫至初次降溫或復(fù)溫結(jié)束時(shí)的鼻溫差（ΔT）和時(shí)間差（Δt）之比，速率（E）= ΔT／Δt，E（℃ ／min）越大速率越快為優(yōu)。次要終點(diǎn)指標(biāo):①血細(xì)胞破壞:血漿游離血紅蛋白＜200 mg／L；②CPB全過程是否出現(xiàn)變溫裝置滲漏致水血混合；③中空纖維是否破裂致氣血混合；④氧合器排氣孔是否有血漿滲漏。在CPB開始達(dá)到目標(biāo)流量后的基線值（T0）、降溫至最低點(diǎn)（T1）、復(fù)溫點(diǎn)（T2）及 CPB停機(jī)前（T3）采集上述指標(biāo)。

1.2.4 蘇木素伊紅（Hematoxylin and Eosin， HE）染色與組織病理學(xué)檢測(cè) 將福爾馬林固定好的組織樣品，經(jīng)梯度酒精 30%、50%、60%、70%、80%、90%、95% （各2 h）及100%（共兩次，每次45 min）脫水，按常規(guī)石蠟包埋切片制備方法，切片厚度4～5 μm，用于各種染色評(píng)估組織病理反應(yīng)。切片經(jīng)二甲苯脫蠟或脫塑后，梯度酒精浸泡后入水（由高至低濃度100%、95%、90%、80%、70%，每次1 min），蘇木素染色，0.5%鹽酸酒精分化，氨水反藍(lán)，1%伊紅染色后，鏡檢滿意后，酒精脫水（由低濃度至高濃度70%、80%、90%、95%、100%，每次 1 min），二甲苯透明后中性樹脂膠封片，在顯微鏡下觀察組織是否發(fā)生病理學(xué)改變，并對(duì)觀察結(jié)果進(jìn)行描述。

1.2.5 掃描電鏡檢測(cè) 實(shí)驗(yàn)組氧合器完成既定流程，切開氧合器，隨機(jī)選取5 cm2大小的中空纖維膜與微栓過濾膜，并且以未使用的氧合器為對(duì)照品。樣品采用2.5%戊二醛固定后，在4℃冰箱進(jìn)行樣品脫水，冷凍干燥后對(duì)樣品進(jìn)行蒸鍍金屬作導(dǎo)電處理，最后，用掃描電鏡檢查表面形態(tài)，分析材料表面有無異常。

1.2.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 數(shù)據(jù)用Minitab 17軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，正態(tài)分布數(shù)據(jù)且方差齊時(shí)，用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，多組之間均數(shù)的比較采用方差分析；偏態(tài)分布數(shù)據(jù)或方差不齊時(shí)，多組和兩組均數(shù)的比較采用秩和檢驗(yàn)，此時(shí)數(shù)據(jù)用中位數(shù)（四分位間距）表示，P＜0.05為顯著性差異。

2 結(jié) 果

2.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物基本情況

2.1.1 本實(shí)驗(yàn)研究過程共使用普通級(jí)巴馬豬9只，所有實(shí)驗(yàn)動(dòng)物經(jīng)檢疫與獸醫(yī)檢查，均符合入組條件。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)組中1只巴馬豬手術(shù)開胸后，發(fā)現(xiàn)心包粘連，分離主動(dòng)脈和心包時(shí)，發(fā)生室顫死亡，其余8只均按實(shí)驗(yàn)方案要求完成實(shí)驗(yàn)，其中實(shí)驗(yàn)組3只與對(duì)照組3只各轉(zhuǎn)機(jī)6 h，自主呼吸恢復(fù)存活1 h后取材，實(shí)驗(yàn)組2只轉(zhuǎn)機(jī)3 h，術(shù)后30 d取材。所有實(shí)驗(yàn)動(dòng)物CPB過程平穩(wěn)，停機(jī)后均恢復(fù)自主呼吸存活至既定時(shí)間點(diǎn)。

2.2 主要終點(diǎn)指標(biāo) 在CPB過程中，相比于對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組氧合能力符合臨床需求，各時(shí)間點(diǎn)的PaO2＞150 mm Hg。在轉(zhuǎn)機(jī)6 h后，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組氧合能力無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）；二氧化碳排除能力符合臨床需求，各時(shí)間點(diǎn)的PaCO2≤45 mm Hg，也無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）；其降溫速率與復(fù)溫速率均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）。 見表1。

2.3 次要終點(diǎn)指標(biāo) 在CPB 6 h期間，隨著轉(zhuǎn)機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)，所有實(shí)驗(yàn)動(dòng)物血漿游離血紅蛋白水平均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，但均未高于200 mg／L正常值。實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組各時(shí)點(diǎn)的血漿游離血紅蛋水平均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（表2）。螺旋導(dǎo)流集成式膜式氧合器的內(nèi)部螺旋導(dǎo)流構(gòu)件與同類產(chǎn)品比較未增加紅細(xì)胞破壞的發(fā)生率。所有實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在CPB過程中，均未發(fā)生變溫裝置滲漏、中空纖維破裂及血漿滲漏。

2.4 組織病理學(xué)檢查 實(shí)驗(yàn)組中3只動(dòng)物在轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)束存活1 h后，分別取腦、心、肺、肝及腎的病理切片，進(jìn)行HE染色，評(píng)價(jià)重要臟器的損傷情況。病理可見①大腦皮層未見異常，未見炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，未見神經(jīng)元水腫溶解；②肺泡未見擴(kuò)張、水腫，未見炎性病變，間質(zhì)組織極少量紅細(xì)胞滲出；③心肌結(jié)構(gòu)正常，未見萎縮、炎性細(xì)胞浸潤(rùn)、變性壞死；④肝小葉結(jié)構(gòu)清楚，未見明顯異常，肝細(xì)胞未見變性壞死，未見炎性細(xì)胞浸潤(rùn)；⑤腎小球結(jié)構(gòu)未見異常，腎血管可見充血，局部腎小管周圍可見較多淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)，見圖2。

表1 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組主要結(jié)局指標(biāo)結(jié)果（±s）

表1 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組主要結(jié)局指標(biāo)結(jié)果（±s）

項(xiàng)目 時(shí)點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)組（n=5） 對(duì)照組（n=3） P值PaO2（mm Hg） T0 260.1±61.9 229.7±77.6 0.561 T1 333.5±135.9 229.7±77.6 0.280 T2 272.4±30.0 223.0±29.3 0.127 T3 281.2±67.2 223.0±106.4 0.164 PaCO2（mm Hg） T0 38.0±2.8 37.3±1.5 0.715 T1 38.8±10.0 38.3 ±1.19 0.941 T2 37.7±4.37 36.8±1.56 0.740 T3 36.2±2.73 38.1±1.40 0.328降溫速率（℃ ／min） 0.48±0.24 0.43±0.13 0.771復(fù)溫速率（℃ ／min） 0.47±0.11 0.46±0.07 0.915

表2 兩組血漿游離血紅蛋白各時(shí)點(diǎn)結(jié)果（±s，mg／L）

表2 兩組血漿游離血紅蛋白各時(shí)點(diǎn)結(jié)果（±s，mg／L）

時(shí)點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)組（n=5） 對(duì)照組（n=3） P值T0 48.8±11.9 65.0±11.9 0.112 T1 77.3±59.3 87.0±53.4 0.824 T2 18.57±11.3 13.61±55.6 0.512 T3 19.28±9.41 16.90±79.8 0.728

圖2 兩組轉(zhuǎn)機(jī)1 h后的動(dòng)物主要器官病理變化（×200）

為了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可以取得螺旋導(dǎo)流集成式膜式氧合器臨床前研究數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，為將來的臨床研究提供詳細(xì)與準(zhǔn)確的參考依據(jù)，實(shí)驗(yàn)組中另2只巴馬豬轉(zhuǎn)機(jī)3 h停機(jī)后，自主呼吸恢復(fù)撤機(jī)后存活30 d，意識(shí)功能正常，進(jìn)食水正常，大小便排出正常。

2.5 掃描電鏡檢測(cè) CPB 6 h后，切開氧合器隨機(jī)取5 cm2樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察。相比于未使用氧合器表面，實(shí)驗(yàn)組氧合器表面形態(tài)正常，未見異常，并且均無明顯的血小板和血漿黏附，微栓過濾網(wǎng)可見少許微栓子粘附，未見嚴(yán)重堵塞與表面形態(tài)異常（圖3）。

圖3 實(shí)驗(yàn)組氧合器實(shí)驗(yàn)前后氧氣交換膜及微栓過濾膜掃描電鏡分析

3 討 論

膜式氧合器的主要特點(diǎn)是血液與氣體不直接接觸，借助中空纖維膜完成氧氣與二氧化碳交換。膜式氧合器的氣體交換能力主要取決于中空纖維膜與內(nèi)部纖維排列。一方面，對(duì)中空纖維膜材料進(jìn)行改進(jìn)，如膜材料涂層技術(shù)，不僅可以有效地提高膜材料透氧性與預(yù)防血漿滲漏，還可以提高其生物相容性與保護(hù)血液。另一方面，對(duì)氧合器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，更加合理的排布中空纖維膜，不僅可以提高氧合與二氧化碳排除能力，還可以降低剪切力對(duì)血細(xì)胞的影響。氧合器內(nèi)部血液滯留區(qū)會(huì)導(dǎo)致血細(xì)胞沉積，并且會(huì)造成無效氧合，降低其氧合功能［4］。Graefe等設(shè)計(jì)出六邊形氧合器，優(yōu)化內(nèi)部流場(chǎng)，有效地降低血液滯流區(qū)，明顯地提高氧合器氧合功能［5］。研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部流場(chǎng)優(yōu)化還可以降低血小板激活，減輕血栓形成［6］。螺旋式血?dú)夥蛛x結(jié)構(gòu)使血液在入口處有效排出血液中的氣體，最大限度地減少氣栓發(fā)生率，并且保證血液氣體交換更為高效和減輕高剪切應(yīng)力對(duì)血液細(xì)胞的破壞。

動(dòng)脈濾器是可以過濾微小氣泡與微粒，是預(yù)防患者發(fā)生栓塞的最后一道保障［7］。傳統(tǒng)CPB管路中，動(dòng)脈濾器是一個(gè)獨(dú)立的構(gòu)件。隨著生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)進(jìn)展，將動(dòng)脈濾器裝置整合于膜式氧合器，避免額外的預(yù)充量與降低人工材料接觸面積，保證患者的安全。研究發(fā)現(xiàn)，整合動(dòng)脈濾器的膜式氧合器，患者術(shù)后機(jī)械輔助通氣時(shí)間與住院時(shí)間顯著性降低［8-10］。

本實(shí)驗(yàn)從氧合性能、二氧化碳排出能力、變溫能力、血細(xì)胞破壞等多個(gè)方面評(píng)價(jià)螺旋導(dǎo)流集成式膜式氧合器的性能。相比于對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組的PaO2、PaCO2及變溫速率均能滿足臨床要求，并且與同類產(chǎn)品比較，螺旋導(dǎo)流部件未增加血細(xì)胞的破壞。組織病理分析觀察到，重要臟器均未見到異常損傷。掃描電鏡分析，氧合器內(nèi)部未見嚴(yán)重堵塞與表面形態(tài)異常。

4 結(jié) 論

在CPB過程中，螺旋導(dǎo)流集成式膜式氧合器的氧合性能、二氧化碳排出能力及變溫能力與目前臨床上常用設(shè)計(jì)性能相當(dāng)?shù)难鹾掀飨啾葻o明顯差異，預(yù)計(jì)可以滿足臨床需求，為后續(xù)的臨床研究提供詳細(xì)與準(zhǔn)確的參考依據(jù)。