植入型心室辅助装置溶血及可植入性实验

吴广辉 蔺嫦燕* 陈 琛 侯晓彤 李海洋

(1.首都医科大学附属北京安贞医院-北京心肺血管疾病研究所生物医学工程研究室，北京 100029;2.苏州同心医疗器械有限公司，苏州 215125;3.首都医科大学附属北京安贞医院体外循环科，北京 100029;4.首都医科大学附属北京安贞医院心脏外科，北京 100029)

近几年，国外在临床上应用心室辅助装置逐年增多，成为临床治疗急重症心力衰竭的一种重要手段［1］。心室辅助装置主体血泵的研制经历了3个阶段。第1代血泵为搏动泵，由于其体积大、零部件多等缺点已经基本淘汰;第2代血泵为恒流泵，以有轴承叶片泵为主。第2代血泵以其体积小、重量轻等优点成为目前国外血泵应用的重点，目前国外临床主要应用的Heart-MateⅡ(Thoratec，美国)和 Jarvik 2000(Jarvik Heart，美国)就是这类血泵，其中HeartMateⅡ全球应用已经多达6 000多例;第3代血泵也是恒流泵，采用磁悬浮驱动系统，即血泵叶轮在驱动血液过程中与血泵内壁无任何机械触点。这种叶轮的磁力或液力无轴承磁浮是血泵研制的重大进展。由于没有轴承，3代血泵比2代血泵有更好的血液相容性和更长的寿命，是近几年国际上血泵研究的热点。目前可见报道的这种血泵有采用液力悬浮驱动的HVAD(HeartWare Inc，美国)［2］，以及采用磁力悬浮驱动的Levacor(World Heart，美国)［3］和 DuraHeart(泰尔茂，美国)［4］等。本课题组牵头小组苏州同心医疗器械有限公司把握国际血泵研发趋势，研制出采用磁力悬浮驱动的第3代血泵同心VAD。

左心辅助装置研制主要包括装置设计、临床前试验和临床试验3个方面。临床前试验又分为体外模拟实验和动物在体实验2个部分。体外模拟实验主要是通过自制模拟实验台进行体外评价，并采用相关标准的实验室检测(如主体血泵水力学性能以及溶血性能、血泵血液接触材料的生物相容性测试等)。体外评价用于检验血泵设计性能是否可以满足生理要求。动物在体实验则评价血泵在体可靠性，血泵综合性能等。对于可植入式血泵，在正式血泵加工前，血泵植入方式以及植入后对实验动物心室及周围脏器功能是否产生不良影响，都是需要验证的问题。本研究对血泵稳定性、主体血泵溶血性能及可植入性进行了实验研究。

1 材料和方法

1.1 材料

1)血泵:实验设计的心室辅助装置主体血泵见图1，为磁悬浮式离心血泵。血泵血液接触面采用了目前与血液相容性较好的钛合金材料，血泵质量约350 g左右。

图1 血泵主体图Fig.1 The body of the pump

用于可植入性动物实验的模拟血泵见图2。模拟血泵按照与实际血泵几何尺寸1:1的比例制作，材料主要为铝合金，重量约250 g。

图2 模拟主体血泵Fig.2 The mock pump

2)实验动物:实验动物为绵羊，均为雄性，体质量均在55 kg左右，身体状况良好，无发烧、咳嗽等症状。由北京平谷模拟医院提供〔动物许可证号:SYXK(京)2010-0019〕。

3)仪器:溶血实验仪器:取血袋(生复200 mL采血袋，长春泰尔茂医疗器具有限公司)、储血器(CPDA血液保存袋500 mL，北京博德桑特输采血器材科技开发公司)、流量计(SM6000，易福门电子)、压力计(MMBPTSA20，北京天地和协科技有限公司)、肝素化体外循环用管道(西京医疗用品有限公司，西安)、紫外分光光度仪(752z，北京光学仪器厂);动物实验仪器:麻醉机(Aeon7200，北京谊安医疗系统股份有限公司)、心电监护仪(RSM-4101K，NIHON KOHDEN，日本)、麻醉器械直喉镜，气管插管，吸痰器，手电筒等。

1.2 方法

1)血泵H-Q曲线:血泵流体力学性能实验测试通过体外模拟实验台测试，驱动介质为0.9%氯化钠注射液和甘油混合液，通过实验绘制出血泵的压力流量H-Q曲线。

2)血泵稳定性试验:血泵常温下驱动蒸馏水30 d，观察血泵转速、驱动电流等变化情况，以及有无卡泵和渗漏等情况发生。

3)血泵溶血实验:本研究血泵对血液的破坏程度通过体外溶血实验测定。实验中，为了减少由于管道接口等原因引起的血液破坏，采用特制血袋作为储血器，部分医用体外循环管道作为循环管道。实验时流量计放置在出口管道，压力计的管状探头分别置于血泵的前、后端，分别检测循环回路的进出口压力。模拟图详见图3。

图3 体外溶血实验模拟图Fig.3 The mock circulation loop

实验前用医用取血袋从实验羊颈静脉取新鲜血液400～500 mL左右。将血液装入特制贮血袋，连接血泵、压力计、流量计到循环回路中同时排气。调节阻尼阀及血泵转速，使泵的输出为:流量5 L/min左右，出入口压力差为100 mmHg左右。实验中每次分别在血泵转泵前、转泵后 1、2、3、4、5、6 h 时取血样样本2 mL，测量样本中血浆游离血红蛋白含量(free hemoglobin，FHB)和红细胞压积(HCt)。最后通过公式计算出血泵运转过程中的标准溶血指数(normal index of hematolysis，NIH)。

标准溶血指数NIH［5］的计算公式是:

这里，ΔFHB为测试时间间隔内FHB的增量值(g/L);V:总循环容量(L);HCt:红细胞压积(%);Q:血泵流量(L/min);T:测试间隔时间(min)。

4)血泵可植入性动物实验:实验羊术前直立状态下拍胸片。实验羊常规全身麻醉后，进行气管插管，用呼吸机辅助呼吸，右侧卧位，术前拍胸片。手术由左侧第5肋间开胸，血泵与左心尖通过特制缝合袖套连接，术中选择合适缝合袖套缝合于左心尖，采用特制挖心工具于左心尖开孔，连接模拟血泵入口。血泵出口连接于升主动脉。术后待羊苏醒后直立时再拍胸片。对比术前以及术后胸片，观察血泵植入后对实验动物心腔占位的影响。

2 结果

2.1 压力流量曲线

体外模拟实验绘制H-Q曲线如图4所示。设计需求血泵提供压力100 mmHg，流量5 L/min的辅助。由图可以看出血泵实际转速在2 800 r左右时，流量可以达到5 L/min，压力可以达到110 mmHg，可以很好的满足设计需求。

图4 血泵在不同转速下的流量压力曲线Fig.4 The H-Q curve of the pump

2.2 血泵稳定性试验结果

实验血泵一个月不间断工作没有卡泵和掉转现象发生。

2.3 溶血实验结果

本实验血泵测得的标准溶血指数NIH值为(0.008 ±0.002)g/100 L，溶血性能良好。

图5为有记录的一组血泵溶血实验中打血6 h实际工作转速变化图，血泵转速维持在3 018转左右，转速平稳，6 h打血实验没有卡泵、掉转和渗漏等机械故障发生。

图5 血泵转速变化图Fig.5 The speed variation of the pump

2.4 可植入性动物实验结果

可植入性动物实验羊均在关胸后2～4 h内苏醒。实验羊1术前直立胸片见图6A，术后直立胸片见图6B。实验羊2术前直立胸片见图7A，术后直立胸片见图7B。可以看出，血泵植入动物胸腔对心室及周围脏器没有占位影响，因而可以进行下一步动物在体实验。通过可植入性动物实验也确定了入口插管长度。实验也为将来实体血泵在体实验积累了一定经验。

3 讨论

美国食品药物管理局(Food and Drug Administration，FDA)已经批准通过了几种商业化的血泵用于临床，如 ELA Ovatio CRT-D System(2008 年)、Thoratec HeartMate Ⅱ LVAS(2008 年)、DeBakey VADChild(2004年)和 HeartMateSNAP-VE LVAS(2002年)［6］。近年来，国外心室辅助装置在临床上的应用逐年增多。目前国内还没有自主研发的可应用于临床的商业化血泵，尽管有的血泵也做了临床试验［7］，但是都没有产业化的趋势。随着我国心脏外科学的发展，以及国民收入水平的不断提高，对治疗心脏手术后不能脱离体外循环机、急性心源性休克、顽固性左心衰或不易控制的致命性心律紊乱及心脏移植桥梁过渡等患者应用小型化、结构简单的心室辅助装置将日渐成为一种趋势。国内目前急需可靠的通过药监局认证的心室辅助装置进入临床，为国人造福。

心室辅助装置主体血泵最基本的特性是具有良好的血液相容性能，即减少或避免其对接触血液的有形成分的破坏。对于任何一种心室辅助装置来说，要应用于临床，其主体血泵必须具有良好的血液相容性。叶片泵的溶血主要是由于叶轮剪切力对血液红细胞的作用产生。通常用标准溶血指数(NIH)衡量，NIH代表血泵在单位时间内泵出100 L压积标准化后血液中产生的FHB克数，单位为(g/100 L)。本研究血泵采用目前国际上3代血泵的磁悬浮技术，很好地克服了血泵对血液的破坏，溶血性能良好。

实验结果表明，本实验磁悬浮血泵的稳定性、流体力学性能和血液相容性能良好，血泵植入实验动物胸腔对实验动物心室及周围脏器没有很大影响。提示血泵可以进行下一步动物在体实验研究。

目前国外使用较多的心室辅助装置主体血泵植入方式是左心尖—血泵—主动脉，这种辅助植入方式可以很好辅助衰竭的心脏，手术操作也相对简单，如HeartMate、DeBakey血泵等。本实验心室辅助装置主体血泵设计也采用这种方式植入。由于血泵入口插入左心尖，所以在血泵正式应用到在体动物实验之前要确定入口插管长度。入口插管太长可能累及二尖瓣，也可能使插管与心室连接部位形成流动死区进而产生血栓;血泵入口插管太短，则会产生入口吸壁等不良后果。血泵心腔占位实验可以验证血泵植入实验动物心腔的可能性，以及植入后对实验动物心脏以及周围组织有无占位影响，同时为下一步在体长期存活动物实验积累经验。

在溶血实验后进行的动物实验确定了植入血泵心尖入口插管长度，以及植入后对实验动物心腔占位影响。血泵30 d打水实验，以及溶血和可植入性动物实验都证实本实验研制血泵有较好的安全性和可靠性，但是血泵整体工作性能，植入实验动物血栓以及在体可靠性还有待于下一步实际研制血泵在体动物实验验证。

［1］Maciver J，Rao V，Ross H J.Quality of life for patients supported on a left ventricular assist device［J］.Expert Rev Med Devices，2011，8(3):325-337.

［2］Tuzun E，Roberts K，Cohn W E，et al.In vivo evaluation of the heartware centrifugal ventricular assist device［J］.Tex Heart Inst J，2007，34(4):406-411.

［3］Farrar D J，Bourque K，Dague C P，et al.Design features，developmental status，and experimental results with the heartmateⅢcentrifugal left ventricular assist system with a magnetically levitated rotor［J］.ASAIO J，2007，53(3):310-315.

［4］Morshuis M，Schoenbrodt M，Nojiri C，et al.DuraHeart magnetically levitated centrifugal left ventricular assist system for advanced heart failure patients［J］.Expert Rev Med Devices，2010，7(2):173-183.

［5］ASTM F1841-97(2005)Standard Practice for Assessment of Hemolysis in Continuous Flow Blood Pumps［EB/OL］.(2005-01-01)［2011-09-02］.http:∥www.astm.org/Standards/F1841.htm.

［6］Recently-ApprovedDevices［EB/OL］. (2010-04-06)［2011-09-02］.http:∥ www.fda.gov/MedicalDevices/ProductsandMedicalProcedures/DeviceApprovalsandClearances/Recently- ApprovedDevices/default.htm.

［7］钱坤喜，曾培，茹伟民，等.临床用叶轮式心室辅助装置的改进与完善［J］.中国生物医学工程学报，2000，19(4):102-104.