便攜式人工心肺輔助裝置動物實驗研究

劉 洋，金振曉，董小超，魏旭峰，楊 劍，程 亮，俞世強

·基礎研究·

便攜式人工心肺輔助裝置動物實驗研究

劉 洋，金振曉，董小超，魏旭峰，楊 劍，程 亮，俞世強

目的 初步考察便攜式人工心肺輔助裝置的在體性能。方法 應用肝素涂層中空纖維氧合技術與磁懸浮離心泵裝置整合構建小型化、便攜式心肺輔助裝置。40 kg實驗羊（n＝6）在全麻下第五肋間左前外側切口，分別置入右心房插管連接至人工心肺輔助裝置流入道，降主動脈插管連接至裝置流出道開始轉流，4．0 L／min運轉12 h，于轉流前和轉流后每2 h檢測裝置流入道及流出道血氧飽和度，氧分壓，二氧化碳分壓等，計算裝置氧合效率。取靜脈血檢測游離血紅蛋白檢含量評價裝置溶血性能并檢測血小板激活率。結果 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%。結論 應用肝素涂層中空纖維氧合器與磁懸浮離心血泵構建人工心肺輔助裝置在體性能可靠。

動物實驗，氧合效率，生物相容性，便攜，體外膜肺氧合

技術日益成熟的體外膜肺氧合（Extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）技術為嚴重呼吸循環(huán)功能障礙的治療指明了一個新的方向，應用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蘇（Extracorporeal cardiopulmonary resuscitation，ECPR）技術，使部分對高級心肺復蘇無效的患者起死回生，這也對ECMO救治的現(xiàn)場性、及時性提出了新的要求［3］。

目前臨床應用的ECMO系統(tǒng)便攜性差。而救治現(xiàn)場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區(qū)等復雜環(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，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；結合新一代肝素涂層技術，能夠有效提高材料血液、生物相容性，減低全身炎癥反應，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與磁懸浮離心泵裝置整合構建小型化、便攜式心肺輔助裝置將能夠進一步縮小人工體外心肺輔助裝置的體積，實現(xiàn)真正的便攜、充分的氧合性能、良好的血液和生物相容性。本研究通過動物實驗考察初步構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。實驗用羊6只（40±2．3）kg；氧氣、氮氣和二氧化碳（第四軍醫(yī)大學試劑中心）；血漿游離血紅蛋白（Plasma free hemoglobin，PFH）檢測試劑盒（Sigma公司，StLouis，MO）；血小板激活檢測試劑盒（Sigma公司，St．Louis，MO）；變溫器，流量監(jiān)控器，滾壓泵（Sarns 8000型）；血氣分析儀（Abbott i－STAT 300）；離心機（湘儀L535R）；紫外分光光度計（DG5031型，華東電子集團醫(yī)療裝備有限責任公司）；流式細胞儀（BD FACSEALIBUR）。壓力傳感器，測壓套件，多通道監(jiān)護儀；麻醉機（Druga100 US）。

1．2 裝置設計 本研究設計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的整合動力氧合裝置。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，以期實現(xiàn)在較小的體積和血液接觸面積的基礎上，通過單一裝置實現(xiàn)氧合和泵血雙重功能，以實現(xiàn)適應復雜環(huán)境應用的便攜性能。同時肝素涂層氧合材料的應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等并發(fā)癥。

其中血泵將采用磁懸浮離心泵裝置設計，泵頭設計按照醫(yī)用血液接觸要求設計為高速離心旋轉子，置于裝置的底部泵室內(nèi)，裝置開啟后通過泵室內(nèi)轉子的高速旋轉實現(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計，裝置開啟后通過血泵裝置將非氧合血驅動，單向流過單個中空纖維管外側，與管腔中的氧氣進行氣體交換，實現(xiàn)氧合。

1．3 動物模型建立 實驗用羊術前18 h禁食，6 h禁水。20～30 mg／kg氯胺酮誘導后氣管插管，右側臥位，左側頸靜脈中心靜脈置管，左側股動脈動脈置管。消毒鋪單后，取左側第五肋間進胸，肺動脈至心尖部縱行切開心包，懸吊心包，分別于降主動脈和右心耳4－0 Proline雙荷包縫合，并分別于荷包線中心置入16 F動脈插管，28 F直角靜脈插管。20 U／ml肝素＋0．9%氯化鈉預充管道排氣，管鉗遠端夾閉備用。便攜式肝素涂層人工心肺輔助裝置以0．9%氯化鈉預充排氣，管鉗遠端夾閉備用。再次排氣后，將降主動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)試裝置待機備用。左側胸腔內(nèi)致28 F胸腔引流管連接閉式引流，逐層關胸。

1．4 氣體交換效率試驗 動物模型建立后，4．0 L／min運轉12 h，于轉流前和轉流后每2 h分別于裝置流入道和流出道采血1ml，進行血氣分析，記錄各采樣點流入道／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)計算公式，計算氣體交換指數(shù)，并進行統(tǒng)計分析［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 于轉流前和轉流后每2 h，采靜脈血2 ml，進行PFH檢測及紅細胞比容（Hct）檢測。應用PFH檢測試劑盒，待測全血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)各加入待測血漿20μl，空白管加去離子水20μl，標準管加血紅蛋白標準液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，于分光光度計波長為435 nm測定濃度。

1．6 血小板激活檢測 取樣方法同上，應用血小板激活檢測試劑盒，待測全血20μl，加入熒光素標記的抗血小板單克隆抗體各10μl，室溫避光反應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)在流式細胞儀上分析。以 CSC、FSC和CD61識別獲取血小板，以速度300個／s獲取10 000個血小板（gate＝R2）進行FL1和FL2分析。ELISA定量測定血漿中vWF及CD62P水平。計算血小板激活指數(shù)。

1．7 統(tǒng)計學分析 運用SPSS 13．0軟件進行統(tǒng)計分析，實驗數(shù)據(jù)均以均數(shù)±標準差（±s）表示，所有數(shù)據(jù)經(jīng)方差齊性檢驗后采用單因素方差分析或t檢驗，P＜0．05判斷差異有無顯著性。

2 結 果

2．1 氧合效率 裝置運行平穩(wěn)，轉流中未見機械故障及血漿滲漏等問題。裝置輸出流量隨轉速可調(diào)，且在2 000～6 000 r／min，轉速與流量呈正相關。裝置流出道SO2在各流量點均保持98%以上（見圖1）。氧合效率檢測結果顯示，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結果顯示，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檢測結果顯示，4．0 L／min裝置運行12 h，PFH含量均在20 g／L以下（圖3），提示裝置對血細胞傷較弱。

圖3 PFH檢測

2．3 血小板激活檢測 血小板激活性能檢測結果顯示，4．0 L／min裝置運行12 h，裝置對血小板激活均在8%以下（圖4）。

圖4 血小板激活檢測

3 討 論

近年來，技術日益成熟的ECMO技術逐漸在臨床推廣應用，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］。但目前臨床初步應用的ECMO系統(tǒng)，多為床邊救治模式，設備復雜、龐大，管路繁多、預充量大，操作復雜，移動性差。而救治現(xiàn)場，特別是戰(zhàn)場或災害環(huán)境條件惡劣，需要便攜式救治裝置并快速施救，要求預充量小，操作簡單［6］。針對這些問題，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構建整合動力氧合裝置。

氧合器、泵裝置和循環(huán)管路是ECMO設備必不可少的三個重要組件，如果將氧合器和泵裝置有機整合將會大大縮小ECMO設備的體積，縮短循環(huán)管路，減少預充量。MAQUET公司的Oxygenator－DI即將其膜式氧合器和泵裝置結合，有效縮小了ECMO設備體積，增加了便攜性和機動性，但仍難以實現(xiàn)傷員與支持設備的真正意義便攜。同時其silicone膜氧合器的出血、栓塞、纖維蛋白沉積及全身炎癥反應激活等并發(fā)癥的發(fā)生率仍高［10－11］。中空纖維（Hollow Fiber）氧合技術，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；結合新一代肝素涂層技術，能夠有效提高材料血液、生物相容性，減低全身炎癥反應，減少血栓形成，優(yōu)化抗凝管理。而離心泵裝置在國外已常規(guī)應用于體外循環(huán)系統(tǒng)，能夠在較低的轉速下提供足夠的輸出量，且血細胞損傷小，設備體積小。本研究將肝素涂層中空纖維氧合技術與磁懸浮離心泵裝置整合構建小型化、便攜式心肺輔助裝置將能夠進一步縮小人工體外心肺輔助裝置的體積，實現(xiàn)真正的便攜。

本研究實驗過程中裝置運行平穩(wěn)，流出道SO2在各流量點均保持98%以上，4 L／min轉流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，符合臨床應用需要。同時，裝置運行12 h PFH檢測結果顯示，在各時間點采樣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；提示裝置對血細胞損傷性能較弱，符合臨床應用要求，無明顯溶血表現(xiàn)。

綜上所述，應用肝素涂層中空纖維氧合器與磁懸浮離心血泵構建便攜式整合動力氧合裝置，在體動物實驗氧合性能可靠，生物相容性良好。通過進一步的體外及體內(nèi)檢測試驗，將有望構建真正意義上的便攜式人工心肺輔助裝置，實現(xiàn)急性肺損傷的體外生命支持系統(tǒng)現(xiàn)場救治模式。

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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

軍隊醫(yī)學科技青年培育項目（13QNP129）

710032西安，第四軍醫(yī)大學西京醫(yī)院心臟外科

俞世強，Email：shiqiangyu210＠126．com