ChinaHeart心室輔助裝置溶血性能研究

徐創業，藺嫦燕，吳廣輝，劉修健，楊朋，渠文波

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

0 前言

心力衰竭（Heart Failure，HF）嚴重威脅著人類生命健康，已經成為全球范圍的社會公共衛生問題。據統計[1]，世界上每年約有20%的心臟病患者發展為終末期心力衰竭。臨床上，內科藥物治療心力衰竭效果不理想，患者生活質量差、致殘率和死亡率高；心臟移植同樣面臨供體缺、適配難、費用貴、并發癥多等不足[2]。隨著科技和工藝水平的進步，心室輔助裝置（Ventricular Assist Device，VAD）逐漸成為治療心衰的有效方法，在心臟術后心肌功能恢復、心臟移植等待供體前橋梁過渡和永久性心臟替代方面發揮著重大作用[3-4]，顯著提高了終末期心衰患者的生活質量和生存年限[5]。國外，VAD研究發展比較成熟。近些年，國內眾多醫療科研機構也開始致力于VAD的研制和初期試驗工作[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胞造成破壞，出現溶血、血栓栓塞等并發癥[9]。國際上溶血通常由血漿游離血紅蛋白（FHB）來衡量，FHB含量＞40 mg/L，則認為出現溶血[10]。溶血可降低血液供氧能力，加重肝腎負擔，嚴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。文獻表明[12]，血泵內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、機械產熱等因素均會導致溶血。目前，國產VAD尚無成熟商業產品出現，溶血性能不良是限制其發展的關鍵。因此，借鑒國外成功的VAD開發經驗，在國產血泵用于臨床前對其溶血性能通過體外和在體實驗進行測試，保障其溶血性能，不僅能夠縮減研發成本和時間，還可有效減少臨床并發癥的發生。

本課題合作單位，蘇州同心醫療器械有限公司采用CFD技術設計研發的第三代心室輔助裝置——ChinaHeart VAD，其核心血泵應用磁懸浮離心式方案，無機械軸承磨損，泵體采用血液相容性好的鈦合金材料，理論上具有優良的溶血性能。本實驗欲結合體外溶血實驗和動物在體溶血實驗，測試ChinaHeart VAD血泵的溶血性能，為進一步長期動物存活實驗和臨床試驗奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

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，無心血管系統及血液相關疾病。由北京平谷模擬醫院提供，動物許可證號：SYXK(京)2010-0019。

1.2 實驗血泵

采用蘇州同心醫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，整體質量約350 g，能夠提供10 L/min的流量輸出。血泵電機額定電壓28 V，額定功率15 W，泵體總長度31 mm（不加入口管），直徑56 mm。血泵內部轉子無軸承，利用磁懸浮技術通過無位置傳感器的反饋信號調節轉子葉輪轉速，進而調節血泵輸出流量和輸出壓力。

圖1 ChinaHeart VAD血泵主體圖

1.3 實驗儀器與設備

特制羊籠（自制）；

麻醉機（Aeon7200，北京誼安醫療系統股份有限公司）；

ACT測量儀及耗材（ACTⅡ，美國美敦力公司）；

取血袋（生復200 mL采血袋，長春泰爾茂醫療器具有限公司）；

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公司）；

流量計（SM6000，易福門電子有限公司）；

壓力計（MMBPTSA20，北京天地和協科技有限公司）；

肝素化體外循環管道（北京衛金帆醫療器械技術有限責任公司）；

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）；

測壓導管（深圳益心達醫學新技術有限公司）；

高速離心機（Eppendorf，德國）；

心電監護儀（RSM-4101K，日本NIHON KOHDEN）；

紫外分光光度儀（752z，北京光學儀器廠）；

便攜式紅外溫度計（F561，美國福祿克公司）。

1.4 方法

1.4.1 體外溶血實驗

將醫用肝素化體外循環管道連接至儲血袋；流量計的管狀探頭放置于血泵的出口端，監測回路流量；壓力計置于血泵出入口處，監測血泵的出入口壓力，見圖2。

圖2 體外溶血實驗回路圖

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、流量計、阻尼閥，排空回路中空氣。調節阻尼閥及血泵轉速使泵的輸出為：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時間點抽取血液樣本2 mL，測量樣本中FHB含量和Hct值。最后計算血泵運轉過程中的標準溶血指數。

標準溶血指數（NIH）[13]代表血泵在單位時間內泵出100L壓積標準化血液產生的FHB含量，單位為g/100L。其計算公式見式（1）：

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

1.4.2 在體溶血實驗

實驗獲得首都醫科大學附屬北京安貞醫院實驗動物倫理委員會批準，并嚴格遵循《北京市實驗動物管理條例》。隨機選擇健康雄性小尾寒羊2只，體重平均55 kg。術前24 h禁食禁水，肌注鹿眠寧 （4 mg/kg）和鹽酸塞拉嗪（0.5 mg/kg），經左耳靜脈建立靜脈通路，在左頸動脈處植入一個動脈壓力套管，用于監測術中及術后血壓。麻醉后經左側第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，調節轉速為（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肝素作用，常規關胸后持續進行心室輔助。術前、術后定期抽血測定FHB含量。

2 結果

2.1 體外溶血實驗

在兩組（羊1和羊2）體外溶血實驗中，血泵均運行平穩，無卡殼、漏液等狀況，泵體溫度基本正常。分別于血泵轉泵前（0 min）、轉泵后 60 min、120 min、180 min、240 min等各時間點測得血漿中FHB含量和Hct值，根據公式(1)計算出血泵運轉過程中各時間點的標準溶血指數NIH，見表1。

表1 體外溶血實驗結果（n=8）

均值：0.0076 g/100L，標準偏差：0.0016 g/100L，最后得出NIH值為（0.0076±0.0016)）g/100L。

2.2 在體溶血實驗

實驗羊術前、術后定期抽血進行血漿FHB 測試。2只羊分別在輔助20天和38天時，按計劃實行安樂死。羊1（存活20天）術前及植入血泵進行輔助循環20天所測得的FHB含量，見表2。血泵植入后FHB水平開始上升，術后第一天最高達到0.0846 g/L，之后逐漸下降，恢復到術前正常水平。羊2（存活38天）術前及植入血泵進行輔助循環38天所測得FHB含量，見表3。血泵植入后FHB水平開始上升，術后第10天最高達到1.0957 g/L，之后逐漸下降，恢復到術前正常水平范圍。

表2 羊1術前以及術后的FHB檢查結果

表3 羊2術前及術后的FHB檢查結果

3 討論

溶血特性是衡量VAD對血液成分和理化性質影響的重要指標。通過實驗評估血泵的溶血性能具有重要意義，也是進行后期動物在體存活實驗和臨床試驗前的必經步驟。本研究通過體外和在體實驗對ChinaHeart VAD進行了系統的溶血性能測試，取得了滿意的結果。

體外實驗中保持環境溫度、血液體積、管道接口位置、連接方式等因素一致，使結果盡可能反映血泵本身溶血性能。NIH代表血泵輸出100 L壓積標準化血液產生的FHB含量，是目前世界上公認的體外評價血泵溶血性能的金標準。體外溶血實驗測得ChinaHeart VAD血泵的NIH值為（0.0076±0.0016）g/100L，和其他國產血泵比較具有明顯優勢，如北京阜外醫院FW型軸流泵NIH為（0.017±0.006）g/100 L[14]，同時也優于國外一些三代血泵，如歐洲DuraHeart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、結構設計等方面做得較好，能夠有效控制溶血，這些也是國產VAD急需提高的地方。血泵體外溶血測試采用新鮮羊血，由于羊的紅細胞比人的脆性大，同等外界刺激下更易破裂，因此，有理由認為ChinaHeart VAD血泵用于人時溶血性能更好。

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

本實驗采用的ChinaHeart VAD血泵由鈦合金材料制造，血液相容性和熱傳導性能良好，機械產熱低；研制過程中采用CFD技術，詳細分析了泵體內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??；轉子采用磁懸浮形式驅動，無軸承磨損；相同輸出流量和壓力下轉速低。這些設計上的優化，大大減少了對紅細胞的破壞。

4 結論

體外和在體溶血實驗表明，ChinaHeart VAD血泵具有良好的溶血性能，可以進行動物長期慢性存活實驗。

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