劉 洋，金振曉，董小超，魏旭峰，楊 劍，程 亮，俞世強(qiáng)

·基礎(chǔ)研究·

便攜式人工心肺輔助裝置動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究

劉 洋，金振曉，董小超，魏旭峰，楊 劍，程 亮，俞世強(qiáng)

目的 初步考察便攜式人工心肺輔助裝置的在體性能。方法 應(yīng)用肝素涂層中空纖維氧合技術(shù)與磁懸浮離心泵裝置整合構(gòu)建小型化、便攜式心肺輔助裝置。40 kg實(shí)驗(yàn)羊（n＝6）在全麻下第五肋間左前外側(cè)切口，分別置入右心房插管連接至人工心肺輔助裝置流入道，降主動(dòng)脈插管連接至裝置流出道開始轉(zhuǎn)流，4．0 L／min運(yùn)轉(zhuǎn)12 h，于轉(zhuǎn)流前和轉(zhuǎn)流后每2 h檢測(cè)裝置流入道及流出道血氧飽和度，氧分壓，二氧化碳分壓等，計(jì)算裝置氧合效率。取靜脈血檢測(cè)游離血紅蛋白檢含量評(píng)價(jià)裝置溶血性能并檢測(cè)血小板激活率。結(jié)果 12 h中，裝置流出道氧飽和度保持98%以上，氧合效率穩(wěn)定。4．0 L／min流量運(yùn)行12 h，游離血紅蛋白含量均在20 g／L以下，血小板激活均小于8%。結(jié)論 應(yīng)用肝素涂層中空纖維氧合器與磁懸浮離心血泵構(gòu)建人工心肺輔助裝置在體性能可靠。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，氧合效率，生物相容性，便攜，體外膜肺氧合

技術(shù)日益成熟的體外膜肺氧合（Extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）技術(shù)為嚴(yán)重呼吸循環(huán)功能障礙的治療指明了一個(gè)新的方向，應(yīng)用ECMO治療急性肺損傷的成功率顯著提高，為極重度呼吸循環(huán)衰竭患者帶來了新的希望［1－2］。特別是體外氧合心肺復(fù)蘇（Extracorporeal cardiopulmonary resuscitation，ECPR）技術(shù)，使部分對(duì)高級(jí)心肺復(fù)蘇無效的患者起死回生，這也對(duì)ECMO救治的現(xiàn)場(chǎng)性、及時(shí)性提出了新的要求［3］。

目前臨床應(yīng)用的ECMO系統(tǒng)便攜性差。而救治現(xiàn)場(chǎng)需要便攜式救治裝置并快速施救。特別是目前尚無可用于災(zāi)區(qū)等復(fù)雜環(huán)境條件下的便攜式心肺輔助救治裝置。中空纖維氧合技術(shù)，氣體交換效率高，能夠有效縮小氧合器血液接觸面積，從而顯著縮小氧合器體積；結(jié)合新一代肝素涂層技術(shù)，能夠有效提高材料血液、生物相容性，減低全身炎癥反應(yīng)，減少血栓形成，優(yōu)化抗凝管理［4］。將肝素涂層中空纖維氧合技術(shù)與磁懸浮離心泵裝置整合構(gòu)建小型化、便攜式心肺輔助裝置將能夠進(jìn)一步縮小人工體外心肺輔助裝置的體積，實(shí)現(xiàn)真正的便攜、充分的氧合性能、良好的血液和生物相容性。本研究通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)考察初步構(gòu)建的便攜式人工心肺輔助裝置的在體性能。

1 材料和方法

1．1 材料、試劑和儀器 便攜式人工心肺輔助裝置。實(shí)驗(yàn)用羊6只（40±2．3）kg；氧氣、氮?dú)夂投趸迹ǖ谒能娽t(yī)大學(xué)試劑中心）；血漿游離血紅蛋白（Plasma free hemoglobin，PFH）檢測(cè)試劑盒（Sigma公司，StLouis，MO）；血小板激活檢測(cè)試劑盒（Sigma公司，St．Louis，MO）；變溫器，流量監(jiān)控器，滾壓泵（Sarns 8000型）；血?dú)夥治鰞x（Abbott i－STAT 300）；離心機(jī)（湘儀L535R）；紫外分光光度計(jì)（DG5031型，華東電子集團(tuán)醫(yī)療裝備有限責(zé)任公司）；流式細(xì)胞儀（BD FACSEALIBUR）。壓力傳感器，測(cè)壓套件，多通道監(jiān)護(hù)儀；麻醉機(jī)（Druga100 US）。

1．2 裝置設(shè)計(jì) 本研究設(shè)計(jì)的便攜式肝素涂層心肺輔助裝置是以肝素涂層中空纖維氧合器與磁懸浮離心血泵為基礎(chǔ)的整合動(dòng)力氧合裝置。該裝置通過將高氧合效率的中空纖維氧合器與小型離心血泵裝置整合，以期實(shí)現(xiàn)在較小的體積和血液接觸面積的基礎(chǔ)上，通過單一裝置實(shí)現(xiàn)氧合和泵血雙重功能，以實(shí)現(xiàn)適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用的便攜性能。同時(shí)肝素涂層氧合材料的應(yīng)用將提供更好的血液和生物相容性，更大限度的減小出血、栓塞及全身炎癥反應(yīng)等并發(fā)癥。

其中血泵將采用磁懸浮離心泵裝置設(shè)計(jì)，泵頭設(shè)計(jì)按照醫(yī)用血液接觸要求設(shè)計(jì)為高速離心旋轉(zhuǎn)子，置于裝置的底部泵室內(nèi)，裝置開啟后通過泵室內(nèi)轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)單向泵血功能。氧合裝置，采用肝素涂層中空纖維氧合集束設(shè)計(jì)，裝置開啟后通過血泵裝置將非氧合血驅(qū)動(dòng)，單向流過單個(gè)中空纖維管外側(cè)，與管腔中的氧氣進(jìn)行氣體交換，實(shí)現(xiàn)氧合。

1．3 動(dòng)物模型建立 實(shí)驗(yàn)用羊術(shù)前18 h禁食，6 h禁水。20～30 mg／kg氯胺酮誘導(dǎo)后氣管插管，右側(cè)臥位，左側(cè)頸靜脈中心靜脈置管，左側(cè)股動(dòng)脈動(dòng)脈置管。消毒鋪單后，取左側(cè)第五肋間進(jìn)胸，肺動(dòng)脈至心尖部縱行切開心包，懸吊心包，分別于降主動(dòng)脈和右心耳4－0 Proline雙荷包縫合，并分別于荷包線中心置入16 F動(dòng)脈插管，28 F直角靜脈插管。20 U／ml肝素＋0．9%氯化鈉預(yù)充管道排氣，管鉗遠(yuǎn)端夾閉備用。便攜式肝素涂層人工心肺輔助裝置以0．9%氯化鈉預(yù)充排氣，管鉗遠(yuǎn)端夾閉備用。再次排氣后，將降主動(dòng)脈插管與裝置流出道連接，右心房靜脈插管與裝置流入道連接，調(diào)試裝置待機(jī)備用。左側(cè)胸腔內(nèi)致28 F胸腔引流管連接閉式引流，逐層關(guān)胸。

1．4 氣體交換效率試驗(yàn) 動(dòng)物模型建立后，4．0 L／min運(yùn)轉(zhuǎn)12 h，于轉(zhuǎn)流前和轉(zhuǎn)流后每2 h分別于裝置流入道和流出道采血1ml，進(jìn)行血?dú)夥治?，記錄各采樣點(diǎn)流入道／流出道血紅蛋白（Hb）、氧分壓（PO2）、二氧化碳分壓（PCO2）、氧飽和度（SO2）。根據(jù)以下氣體交換指數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算氣體交換指數(shù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析［5－6］。

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

注：TO2：氣體交換指數(shù)；Hb：血紅蛋白量；SoO2：流出道氧飽和度；SiO2：流入道氧飽和度；PoO2：流出道氧分壓；PiO2：流入道氧分壓。

1．5 PFH檢測(cè) 于轉(zhuǎn)流前和轉(zhuǎn)流后每2 h，采靜脈血2 ml，進(jìn)行PFH檢測(cè)及紅細(xì)胞比容（Hct）檢測(cè)。應(yīng)用PFH檢測(cè)試劑盒，待測(cè)全血1 ml，4℃，15 000 g離心10 min，分離血清再次4℃，15 000 g離心10 min。在試管內(nèi)各加入待測(cè)血漿20μl，空白管加去離子水20μl，標(biāo)準(zhǔn)管加血紅蛋白標(biāo)準(zhǔn)液20μl。于上述各管中加入1．0 m l 0．2%鄰甲聯(lián)苯胺溶液，再加入1．0 ml 1%過氧化氫溶液，混勻放置10 min，各管加入10 m l 10%冰乙酸溶液，于分光光度計(jì)波長(zhǎng)為435 nm測(cè)定濃度。

1．6 血小板激活檢測(cè) 取樣方法同上，應(yīng)用血小板激活檢測(cè)試劑盒，待測(cè)全血20μl，加入熒光素標(biāo)記的抗血小板單克隆抗體各10μl，室溫避光反應(yīng)20 min，立即加入1．0 ml 1%多聚甲醛（2～6℃）混勻，4℃保存，24 h內(nèi)在流式細(xì)胞儀上分析。以 CSC、FSC和CD61識(shí)別獲取血小板，以速度300個(gè)／s獲取10 000個(gè)血小板（gate＝R2）進(jìn)行FL1和FL2分析。ELISA定量測(cè)定血漿中vWF及CD62P水平。計(jì)算血小板激活指數(shù)。

1．7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 運(yùn)用SPSS 13．0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，所有數(shù)據(jù)經(jīng)方差齊性檢驗(yàn)后采用單因素方差分析或t檢驗(yàn)，P＜0．05判斷差異有無顯著性。

2 結(jié) 果

2．1 氧合效率 裝置運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)流中未見機(jī)械故障及血漿滲漏等問題。裝置輸出流量隨轉(zhuǎn)速可調(diào)，且在2 000～6 000 r／min，轉(zhuǎn)速與流量呈正相關(guān)。裝置流出道SO2在各流量點(diǎn)均保持98%以上（見圖1）。氧合效率檢測(cè)結(jié)果顯示，裝置氧合效率在12 h內(nèi)均維持在100～150 m l／min（見圖2）。在體氣體交換性能檢測(cè)結(jié)果顯示，裝置具有良好的氣體交換性能。

圖1 裝置流入道及流出道SO2

圖2 裝置氧合效率

2．2 PFH PFH檢測(cè)結(jié)果顯示，4．0 L／min裝置運(yùn)行12 h，PFH含量均在20 g／L以下（圖3），提示裝置對(duì)血細(xì)胞傷較弱。

圖3 PFH檢測(cè)

2．3 血小板激活檢測(cè) 血小板激活性能檢測(cè)結(jié)果顯示，4．0 L／min裝置運(yùn)行12 h，裝置對(duì)血小板激活均在8%以下（圖4）。

圖4 血小板激活檢測(cè)

3 討 論

近年來，技術(shù)日益成熟的ECMO技術(shù)逐漸在臨床推廣應(yīng)用，治療急性肺損傷的成功率顯著提高，為極重度呼吸循環(huán)衰竭患者的急救治療提供了新的思路［7－9］。但目前臨床初步應(yīng)用的ECMO系統(tǒng)，多為床邊救治模式，設(shè)備復(fù)雜、龐大，管路繁多、預(yù)充量大，操作復(fù)雜，移動(dòng)性差。而救治現(xiàn)場(chǎng)，特別是戰(zhàn)場(chǎng)或?yàn)?zāi)害環(huán)境條件惡劣，需要便攜式救治裝置并快速施救，要求預(yù)充量小，操作簡(jiǎn)單［6］。針對(duì)這些問題，本課題組在前期工作中初步開展了便攜式人工心肺輔助裝置的開發(fā)研究，以肝素涂層中空纖維氧合器與磁懸浮離心血泵為基礎(chǔ)構(gòu)建整合動(dòng)力氧合裝置。

氧合器、泵裝置和循環(huán)管路是ECMO設(shè)備必不可少的三個(gè)重要組件，如果將氧合器和泵裝置有機(jī)整合將會(huì)大大縮小ECMO設(shè)備的體積，縮短循環(huán)管路，減少預(yù)充量。MAQUET公司的Oxygenator－DI即將其膜式氧合器和泵裝置結(jié)合，有效縮小了ECMO設(shè)備體積，增加了便攜性和機(jī)動(dòng)性，但仍難以實(shí)現(xiàn)傷員與支持設(shè)備的真正意義便攜。同時(shí)其silicone膜氧合器的出血、栓塞、纖維蛋白沉積及全身炎癥反應(yīng)激活等并發(fā)癥的發(fā)生率仍高［10－11］。中空纖維（Hollow Fiber）氧合技術(shù)，氣體交換效率高，能夠有效縮小氧合器血液接觸面積，從而顯著縮小氧合器體積；結(jié)合新一代肝素涂層技術(shù)，能夠有效提高材料血液、生物相容性，減低全身炎癥反應(yīng)，減少血栓形成，優(yōu)化抗凝管理。而離心泵裝置在國(guó)外已常規(guī)應(yīng)用于體外循環(huán)系統(tǒng)，能夠在較低的轉(zhuǎn)速下提供足夠的輸出量，且血細(xì)胞損傷小，設(shè)備體積小。本研究將肝素涂層中空纖維氧合技術(shù)與磁懸浮離心泵裝置整合構(gòu)建小型化、便攜式心肺輔助裝置將能夠進(jìn)一步縮小人工體外心肺輔助裝置的體積，實(shí)現(xiàn)真正的便攜。

本研究實(shí)驗(yàn)過程中裝置運(yùn)行平穩(wěn)，流出道SO2在各流量點(diǎn)均保持98%以上，4 L／min轉(zhuǎn)流12 h，氧合指數(shù)均在100 ml／min以上，提示該裝置氧合性能良好，符合臨床應(yīng)用需要。同時(shí)，裝置運(yùn)行12 h PFH檢測(cè)結(jié)果顯示，在各時(shí)間點(diǎn)采樣PFH均在20 g／L以下，無明顯增高；血小板激活均在8%以下，無明顯增高；提示裝置對(duì)血細(xì)胞損傷性能較弱，符合臨床應(yīng)用要求，無明顯溶血表現(xiàn)。

綜上所述，應(yīng)用肝素涂層中空纖維氧合器與磁懸浮離心血泵構(gòu)建便攜式整合動(dòng)力氧合裝置，在體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)氧合性能可靠，生物相容性良好。通過進(jìn)一步的體外及體內(nèi)檢測(cè)試驗(yàn)，將有望構(gòu)建真正意義上的便攜式人工心肺輔助裝置，實(shí)現(xiàn)急性肺損傷的體外生命支持系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)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，F(xiàn)orth 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

軍隊(duì)醫(yī)學(xué)科技青年培育項(xiàng)目（13QNP129）

710032西安，第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院心臟外科

俞世強(qiáng)，Email：shiqiangyu210＠126．com