ChinaHeart心室辅助装置溶血性能研究

徐创业，蔺嫦燕，吴广辉，刘修健，杨朋，渠文波

1.首都医科大学附属北京安贞医院，北京 100029；2.北京市心肺血管疾病研究所，北京100029；3.苏州同心医疗器械有限公司，江苏 苏州 215125

0 前言

心力衰竭（Heart Failure，HF）严重威胁着人类生命健康，已经成为全球范围的社会公共卫生问题。据统计[1]，世界上每年约有20%的心脏病患者发展为终末期心力衰竭。临床上，内科药物治疗心力衰竭效果不理想，患者生活质量差、致残率和死亡率高；心脏移植同样面临供体缺、适配难、费用贵、并发症多等不足[2]。随着科技和工艺水平的进步，心室辅助装置（Ventricular Assist Device，VAD）逐渐成为治疗心衰的有效方法，在心脏术后心肌功能恢复、心脏移植等待供体前桥梁过渡和永久性心脏替代方面发挥着重大作用[3-4]，显著提高了终末期心衰患者的生活质量和生存年限[5]。国外，VAD研究发展比较成熟。近些年，国内众多医疗科研机构也开始致力于VAD的研制和初期试验工作[6-8]。

另一方面，作为心衰辅助用VAD，其主体血泵在辅助过程中会对红细胞造成破坏，出现溶血、血栓栓塞等并发症[9]。国际上溶血通常由血浆游离血红蛋白（FHB）来衡量，FHB含量＞40 mg/L，则认为出现溶血[10]。溶血可降低血液供氧能力，加重肝肾负担，严重者可致心肺功能障碍、肝肾功能紊乱和衰竭、贫血[11]，大大降低了VAD治疗效果。文献表明[12]，血泵内部高且震荡的剪切力、接触材料的血液相容性、与血液接触面积、机械产热等因素均会导致溶血。目前，国产VAD尚无成熟商业产品出现，溶血性能不良是限制其发展的关键。因此，借鉴国外成功的VAD开发经验，在国产血泵用于临床前对其溶血性能通过体外和在体实验进行测试，保障其溶血性能，不仅能够缩减研发成本和时间，还可有效减少临床并发症的发生。

本课题合作单位，苏州同心医疗器械有限公司采用CFD技术设计研发的第三代心室辅助装置——ChinaHeart VAD，其核心血泵应用磁悬浮离心式方案，无机械轴承磨损，泵体采用血液相容性好的钛合金材料，理论上具有优良的溶血性能。本实验欲结合体外溶血实验和动物在体溶血实验，测试ChinaHeart VAD血泵的溶血性能，为进一步长期动物存活实验和临床试验奠定基础。

1 材料与方法

1.1 实验动物

雄性小尾寒羊2只（羊1、羊2），体重50～60 kg，已接种，健康状况良好，无心血管系统及血液相关疾病。由北京平谷模拟医院提供，动物许可证号：SYXK(京)2010-0019。

1.2 实验血泵

采用苏州同心医疗器械公司研制的新型第三代磁悬浮离心式心室辅助装置ChinaHeart VAD，血泵主体，见图1。泵体采用血液相容性较好的钛合金材料，整体质量约350 g，能够提供10 L/min的流量输出。血泵电机额定电压28 V，额定功率15 W，泵体总长度31 mm（不加入口管），直径56 mm。血泵内部转子无轴承，利用磁悬浮技术通过无位置传感器的反馈信号调节转子叶轮转速，进而调节血泵输出流量和输出压力。

图1 ChinaHeart VAD血泵主体图

1.3 实验仪器与设备

特制羊笼（自制）；

麻醉机（Aeon7200，北京谊安医疗系统股份有限公司）；

ACT测量仪及耗材（ACTⅡ，美国美敦力公司）；

取血袋（生复200 mL采血袋，长春泰尔茂医疗器具有限公司）；

储血袋（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，易福门电子有限公司）；

压力计（MMBPTSA20，北京天地和协科技有限公司）；

肝素化体外循环管道（北京卫金帆医疗器械技术有限责任公司）；

5 mL带帽离心管（Corning，美国）；

15 mL离心管（Corning，美国）；

移液器（Eppendorf，德国）；

水浴锅（HH-1A，金坛市科杰仪器厂）；

测压导管（深圳益心达医学新技术有限公司）；

高速离心机（Eppendorf，德国）；

心电监护仪（RSM-4101K，日本NIHON KOHDEN）；

紫外分光光度仪（752z，北京光学仪器厂）；

便携式红外温度计（F561，美国福禄克公司）。

1.4 方法

1.4.1 体外溶血实验

将医用肝素化体外循环管道连接至储血袋；流量计的管状探头放置于血泵的出口端，监测回路流量；压力计置于血泵出入口处，监测血泵的出入口压力，见图2。

图2 体外溶血实验回路图

从羊颈静脉无菌取新鲜血液600 mL，给予普通肝素1.5 mg/kg抗凝，使全血活化凝血时间（Activated Clotting Time， ACT）维持在450 s之上。将血液装入特制贮血袋，连接血泵、压力计、流量计、阻尼阀，排空回路中空气。调节阻尼阀及血泵转速使泵的输出为：流量5.0 L/min；出、入口压力差100 mmHg。分别在血泵工作前（0 min）、工作后60 min、120 min、180 min、240 min时间点抽取血液样本2 mL，测量样本中FHB含量和Hct值。最后计算血泵运转过程中的标准溶血指数。

标准溶血指数（NIH）[13]代表血泵在单位时间内泵出100L压积标准化血液产生的FHB含量，单位为g/100L。其计算公式见式（1）：

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

1.4.2 在体溶血实验

实验获得首都医科大学附属北京安贞医院实验动物伦理委员会批准，并严格遵循《北京市实验动物管理条例》。随机选择健康雄性小尾寒羊2只，体重平均55 kg。术前24 h禁食禁水，肌注鹿眠宁 （4 mg/kg）和盐酸塞拉嗪（0.5 mg/kg），经左耳静脉建立静脉通路，在左颈动脉处植入一个动脉压力套管，用于监测术中及术后血压。麻醉后经左侧第5肋间开胸，剪开心包充分暴露左心室心尖部，分离剥除部分胸降主动脉外膜，经静脉通路给予肝素（1.5 mg/kg），使ACT值保持400 s以上。将血泵入口植入左心室心尖，出口经人工血管吻合至降主动脉，形成左心室→心室辅助装置→降主动脉的旁路。血泵排气后，调节转速为（2400±20）rpm，按成年羊65 mL/kg输出量控制辅助流量占总心输出量的60%左右，静脉注射鱼精蛋白逆转肝素作用，常规关胸后持续进行心室辅助。术前、术后定期抽血测定FHB含量。

2 结果

2.1 体外溶血实验

在两组（羊1和羊2）体外溶血实验中，血泵均运行平稳，无卡壳、漏液等状况，泵体温度基本正常。分别于血泵转泵前（0 min）、转泵后 60 min、120 min、180 min、240 min等各时间点测得血浆中FHB含量和Hct值，根据公式(1)计算出血泵运转过程中各时间点的标准溶血指数NIH，见表1。

表1 体外溶血实验结果（n=8）

均值：0.0076 g/100L，标准偏差：0.0016 g/100L，最后得出NIH值为（0.0076±0.0016)）g/100L。

2.2 在体溶血实验

实验羊术前、术后定期抽血进行血浆FHB 测试。2只羊分别在辅助20天和38天时，按计划实行安乐死。羊1（存活20天）术前及植入血泵进行辅助循环20天所测得的FHB含量，见表2。血泵植入后FHB水平开始上升，术后第一天最高达到0.0846 g/L，之后逐渐下降，恢复到术前正常水平。羊2（存活38天）术前及植入血泵进行辅助循环38天所测得FHB含量，见表3。血泵植入后FHB水平开始上升，术后第10天最高达到1.0957 g/L，之后逐渐下降，恢复到术前正常水平范围。

表2 羊1术前以及术后的FHB检查结果

表3 羊2术前及术后的FHB检查结果

3 讨论

溶血特性是衡量VAD对血液成分和理化性质影响的重要指标。通过实验评估血泵的溶血性能具有重要意义，也是进行后期动物在体存活实验和临床试验前的必经步骤。本研究通过体外和在体实验对ChinaHeart VAD进行了系统的溶血性能测试，取得了满意的结果。

体外实验中保持环境温度、血液体积、管道接口位置、连接方式等因素一致，使结果尽可能反映血泵本身溶血性能。NIH代表血泵输出100 L压积标准化血液产生的FHB含量，是目前世界上公认的体外评价血泵溶血性能的金标准。体外溶血实验测得ChinaHeart VAD血泵的NIH值为（0.0076±0.0016）g/100L，和其他国产血泵比较具有明显优势，如北京阜外医院FW型轴流泵NIH为（0.017±0.006）g/100 L[14]，同时也优于国外一些三代血泵，如欧洲DuraHeart离心泵NIH为（0.01～0.03）g/100L[15]，但和国外成功用于临床的血泵相比还存在一定差距，如TMDU/TIH离心泵NIH为（0.001～0.002）g/100L[16]。TMDU/TIH离心泵在泵体材料、加工工艺、结构设计等方面做得较好，能够有效控制溶血，这些也是国产VAD急需提高的地方。血泵体外溶血测试采用新鲜羊血，由于羊的红细胞比人的脆性大，同等外界刺激下更易破裂，因此，有理由认为ChinaHeart VAD血泵用于人时溶血性能更好。

心室辅助循环中常用血浆FHB浓度来衡量红细胞的破坏程度。FHB浓度的升高意味着红细胞破坏的增加。红细胞破碎后FHB进入血浆，损害血管舒张和微循环灌注[18]，引起肾小管坏死、血红蛋白沉积、堵塞，导致肾功能不全。羊的血浆FHB含量正常值是0～20 mg/dL。本研究在体溶血实验表明，血泵植入后开始阶段FHB含量逐渐升高，分别达到最大值0.0846 g/L（存活20天）和1.0957 g/L（存活38天），出现轻微溶血，可能是由于术中输血激活了炎症级联反应引起。围术期大量输液，使血液渗透压降低，也会导致红细胞破裂。血泵运行平稳后，FHB含量随之逐渐平稳，下降至术前水平。在体动物溶血实验中，鉴于成本原因，术后FHB含量检测间隔时间较大，增加测量次数得到更多数据无疑可以更加详细地反应血泵对血液的影响。

本实验采用的ChinaHeart VAD血泵由钛合金材料制造，血液相容性和热传导性能良好，机械产热低；研制过程中采用CFD技术，详细分析了泵体内部流场和剪切力分布，保证没有剧烈血液流场变化和高且震荡的剪切力；血液接触面积小；转子采用磁悬浮形式驱动，无轴承磨损；相同输出流量和压力下转速低。这些设计上的优化，大大减少了对红细胞的破坏。

4 结论

体外和在体溶血实验表明，ChinaHeart VAD血泵具有良好的溶血性能，可以进行动物长期慢性存活实验。

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