便携式人工心肺辅助装置动物实验研究

刘 洋，金振晓，董小超，魏旭峰，杨 剑，程 亮，俞世强

·基础研究·

便携式人工心肺辅助装置动物实验研究

刘 洋，金振晓，董小超，魏旭峰，杨 剑，程 亮，俞世强

目的 初步考察便携式人工心肺辅助装置的在体性能。方法 应用肝素涂层中空纤维氧合技术与磁悬浮离心泵装置整合构建小型化、便携式心肺辅助装置。40 kg实验羊（n＝6）在全麻下第五肋间左前外侧切口，分别置入右心房插管连接至人工心肺辅助装置流入道，降主动脉插管连接至装置流出道开始转流，4．0 L／min运转12 h，于转流前和转流后每2 h检测装置流入道及流出道血氧饱和度，氧分压，二氧化碳分压等，计算装置氧合效率。取静脉血检测游离血红蛋白检含量评价装置溶血性能并检测血小板激活率。结果 12 h中，装置流出道氧饱和度保持98%以上，氧合效率稳定。4．0 L／min流量运行12 h，游离血红蛋白含量均在20 g／L以下，血小板激活均小于8%。结论 应用肝素涂层中空纤维氧合器与磁悬浮离心血泵构建人工心肺辅助装置在体性能可靠。

动物实验，氧合效率，生物相容性，便携，体外膜肺氧合

技术日益成熟的体外膜肺氧合（Extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）技术为严重呼吸循环功能障碍的治疗指明了一个新的方向，应用ECMO治疗急性肺损伤的成功率显著提高，为极重度呼吸循环衰竭患者带来了新的希望［1－2］。特别是体外氧合心肺复苏（Extracorporeal cardiopulmonary resuscitation，ECPR）技术，使部分对高级心肺复苏无效的患者起死回生，这也对ECMO救治的现场性、及时性提出了新的要求［3］。

目前临床应用的ECMO系统便携性差。而救治现场需要便携式救治装置并快速施救。特别是目前尚无可用于灾区等复杂环境条件下的便携式心肺辅助救治装置。中空纤维氧合技术，气体交换效率高，能够有效缩小氧合器血液接触面积，从而显著缩小氧合器体积；结合新一代肝素涂层技术，能够有效提高材料血液、生物相容性，减低全身炎症反应，减少血栓形成，优化抗凝管理［4］。将肝素涂层中空纤维氧合技术与磁悬浮离心泵装置整合构建小型化、便携式心肺辅助装置将能够进一步缩小人工体外心肺辅助装置的体积，实现真正的便携、充分的氧合性能、良好的血液和生物相容性。本研究通过动物实验考察初步构建的便携式人工心肺辅助装置的在体性能。

1 材料和方法

1．1 材料、试剂和仪器 便携式人工心肺辅助装置。实验用羊6只（40±2．3）kg；氧气、氮气和二氧化碳（第四军医大学试剂中心）；血浆游离血红蛋白（Plasma free hemoglobin，PFH）检测试剂盒（Sigma公司，StLouis，MO）；血小板激活检测试剂盒（Sigma公司，St．Louis，MO）；变温器，流量监控器，滚压泵（Sarns 8000型）；血气分析仪（Abbott i－STAT 300）；离心机（湘仪L535R）；紫外分光光度计（DG5031型，华东电子集团医疗装备有限责任公司）；流式细胞仪（BD FACSEALIBUR）。压力传感器，测压套件，多通道监护仪；麻醉机（Druga100 US）。

1．2 装置设计 本研究设计的便携式肝素涂层心肺辅助装置是以肝素涂层中空纤维氧合器与磁悬浮离心血泵为基础的整合动力氧合装置。该装置通过将高氧合效率的中空纤维氧合器与小型离心血泵装置整合，以期实现在较小的体积和血液接触面积的基础上，通过单一装置实现氧合和泵血双重功能，以实现适应复杂环境应用的便携性能。同时肝素涂层氧合材料的应用将提供更好的血液和生物相容性，更大限度的减小出血、栓塞及全身炎症反应等并发症。

其中血泵将采用磁悬浮离心泵装置设计，泵头设计按照医用血液接触要求设计为高速离心旋转子，置于装置的底部泵室内，装置开启后通过泵室内转子的高速旋转实现连续单向泵血功能。氧合装置，采用肝素涂层中空纤维氧合集束设计，装置开启后通过血泵装置将非氧合血驱动，单向流过单个中空纤维管外侧，与管腔中的氧气进行气体交换，实现氧合。

1．3 动物模型建立 实验用羊术前18 h禁食，6 h禁水。20～30 mg／kg氯胺酮诱导后气管插管，右侧卧位，左侧颈静脉中心静脉置管，左侧股动脉动脉置管。消毒铺单后，取左侧第五肋间进胸，肺动脉至心尖部纵行切开心包，悬吊心包，分别于降主动脉和右心耳4－0 Proline双荷包缝合，并分别于荷包线中心置入16 F动脉插管，28 F直角静脉插管。20 U／ml肝素＋0．9%氯化钠预充管道排气，管钳远端夹闭备用。便携式肝素涂层人工心肺辅助装置以0．9%氯化钠预充排气，管钳远端夹闭备用。再次排气后，将降主动脉插管与装置流出道连接，右心房静脉插管与装置流入道连接，调试装置待机备用。左侧胸腔内致28 F胸腔引流管连接闭式引流，逐层关胸。

1．4 气体交换效率试验 动物模型建立后，4．0 L／min运转12 h，于转流前和转流后每2 h分别于装置流入道和流出道采血1ml，进行血气分析，记录各采样点流入道／流出道血红蛋白（Hb）、氧分压（PO2）、二氧化碳分压（PCO2）、氧饱和度（SO2）。根据以下气体交换指数计算公式，计算气体交换指数，并进行统计分析［5－6］。

TO2＝［0．134×Hgb×（SoO2－SiO2）＋0．03×（PoO2－PiO2］×Q

注：TO2：气体交换指数；Hb：血红蛋白量；SoO2：流出道氧饱和度；SiO2：流入道氧饱和度；PoO2：流出道氧分压；PiO2：流入道氧分压。

1．5 PFH检测 于转流前和转流后每2 h，采静脉血2 ml，进行PFH检测及红细胞比容（Hct）检测。应用PFH检测试剂盒，待测全血1 ml，4℃，15 000 g离心10 min，分离血清再次4℃，15 000 g离心10 min。在试管内各加入待测血浆20μl，空白管加去离子水20μl，标准管加血红蛋白标准液20μl。于上述各管中加入1．0 m l 0．2%邻甲联苯胺溶液，再加入1．0 ml 1%过氧化氢溶液，混匀放置10 min，各管加入10 m l 10%冰乙酸溶液，于分光光度计波长为435 nm测定浓度。

1．6 血小板激活检测 取样方法同上，应用血小板激活检测试剂盒，待测全血20μl，加入荧光素标记的抗血小板单克隆抗体各10μl，室温避光反应20 min，立即加入1．0 ml 1%多聚甲醛（2～6℃）混匀，4℃保存，24 h内在流式细胞仪上分析。以 CSC、FSC和CD61识别获取血小板，以速度300个／s获取10 000个血小板（gate＝R2）进行FL1和FL2分析。ELISA定量测定血浆中vWF及CD62P水平。计算血小板激活指数。

1．7 统计学分析 运用SPSS 13．0软件进行统计分析，实验数据均以均数±标准差（±s）表示，所有数据经方差齐性检验后采用单因素方差分析或t检验，P＜0．05判断差异有无显著性。

2 结 果

2．1 氧合效率 装置运行平稳，转流中未见机械故障及血浆渗漏等问题。装置输出流量随转速可调，且在2 000～6 000 r／min，转速与流量呈正相关。装置流出道SO2在各流量点均保持98%以上（见图1）。氧合效率检测结果显示，装置氧合效率在12 h内均维持在100～150 m l／min（见图2）。在体气体交换性能检测结果显示，装置具有良好的气体交换性能。

图1 装置流入道及流出道SO2

图2 装置氧合效率

2．2 PFH PFH检测结果显示，4．0 L／min装置运行12 h，PFH含量均在20 g／L以下（图3），提示装置对血细胞伤较弱。

图3 PFH检测

2．3 血小板激活检测 血小板激活性能检测结果显示，4．0 L／min装置运行12 h，装置对血小板激活均在8%以下（图4）。

图4 血小板激活检测

3 讨 论

近年来，技术日益成熟的ECMO技术逐渐在临床推广应用，治疗急性肺损伤的成功率显著提高，为极重度呼吸循环衰竭患者的急救治疗提供了新的思路［7－9］。但目前临床初步应用的ECMO系统，多为床边救治模式，设备复杂、庞大，管路繁多、预充量大，操作复杂，移动性差。而救治现场，特别是战场或灾害环境条件恶劣，需要便携式救治装置并快速施救，要求预充量小，操作简单［6］。针对这些问题，本课题组在前期工作中初步开展了便携式人工心肺辅助装置的开发研究，以肝素涂层中空纤维氧合器与磁悬浮离心血泵为基础构建整合动力氧合装置。

氧合器、泵装置和循环管路是ECMO设备必不可少的三个重要组件，如果将氧合器和泵装置有机整合将会大大缩小ECMO设备的体积，缩短循环管路，减少预充量。MAQUET公司的Oxygenator－DI即将其膜式氧合器和泵装置结合，有效缩小了ECMO设备体积，增加了便携性和机动性，但仍难以实现伤员与支持设备的真正意义便携。同时其silicone膜氧合器的出血、栓塞、纤维蛋白沉积及全身炎症反应激活等并发症的发生率仍高［10－11］。中空纤维（Hollow Fiber）氧合技术，气体交换效率高，能够有效缩小氧合器血液接触面积，从而显著缩小氧合器体积；结合新一代肝素涂层技术，能够有效提高材料血液、生物相容性，减低全身炎症反应，减少血栓形成，优化抗凝管理。而离心泵装置在国外已常规应用于体外循环系统，能够在较低的转速下提供足够的输出量，且血细胞损伤小，设备体积小。本研究将肝素涂层中空纤维氧合技术与磁悬浮离心泵装置整合构建小型化、便携式心肺辅助装置将能够进一步缩小人工体外心肺辅助装置的体积，实现真正的便携。

本研究实验过程中装置运行平稳，流出道SO2在各流量点均保持98%以上，4 L／min转流12 h，氧合指数均在100 ml／min以上，提示该装置氧合性能良好，符合临床应用需要。同时，装置运行12 h PFH检测结果显示，在各时间点采样PFH均在20 g／L以下，无明显增高；血小板激活均在8%以下，无明显增高；提示装置对血细胞损伤性能较弱，符合临床应用要求，无明显溶血表现。

综上所述，应用肝素涂层中空纤维氧合器与磁悬浮离心血泵构建便携式整合动力氧合装置，在体动物实验氧合性能可靠，生物相容性良好。通过进一步的体外及体内检测试验，将有望构建真正意义上的便携式人工心肺辅助装置，实现急性肺损伤的体外生命支持系统现场救治模式。

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Performance of a wearable artificial cardiopulmonary support device in a sheep model

Liu yang，Jin Zhen－xiao，Dong Xiao－chao，Wei Xu－feng，Yang Jian，Cheng Liang，Yu Shi－qiang
Department ofCardiac Surgery，Xijing Hospital，Forth Military Medical University，Shaanxi Xi＇an 710032，China Corresponding author：Yu Shi－qiang，Email：

ObjectiveTo evaluate the performance of a wearable artificial cardiopulmonary support device in vivo．MethodsHeparin－coating hollow fiber and axial pump were used to setup a wearable artificial cardiopulmonary support device．Six 40－kg sheep were used in the study．The left anterolateral thoracotomy were performed after general anesthesia．Then the veno－arterial connections were setup with cannulation in the right atrium and descending aorta．The saturation，partial oxygen pressure and partial carbon dioxide pressure of the inlet and outletweremeasured，and oxygen transfer ratewas calculated before operating devices and then every 2 hours at 4．0L／min for 12 hours．The plasma free hemoglobin and plateletactivation were evaluated every 2 hours aswell．ResultsThe saturation of outletwas stable at over 98%during the study．The plasma free hemoglobin was lower than 20mg／dL and the platelet activation was lower than 8%over12 hours．Conclusions Thewearable artificial cardiopulmonary support devicewith heparin－coating hollow fiber and axial pump conducted the reliable performance in vivo．

In vivo；Oxygen transfer rate；Biocompatibility；Wearable；Extracorporealmembrane oxygenation；

2015-04-07）

2015-04-10）

10．13498／j．cnki．chin．j．ecc．2015．02．13

军队医学科技青年培育项目（13QNP129）

710032西安，第四军医大学西京医院心脏外科

俞世强，Email：shiqiangyu210＠126．com