基于滾壓式血泵的溶血相關(guān)影響因素研究

蔣子昂 王陶濤 程加樂 展格格 谷雪蓮

上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院 200093

0 引 言

體外循環(huán)是利用一系列特殊人工裝置將回心靜脈血引流到體外，通過人工方法進行氣體交換、調(diào)節(jié)溫度、過濾等處理后，輸回體內(nèi)動脈系統(tǒng)的生命支持技術(shù)[1]。血泵是體外循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，目前最常用的血泵形式為滾壓式血泵[2]。在體外循環(huán)過程中，血紅細胞易受擠壓、碰撞，容易發(fā)生細胞膜破損，導致血紅蛋白外流。該現(xiàn)象被稱為溶血，其普遍存在基于血液透析儀、心肺機等循環(huán)裝置的體外循環(huán)應(yīng)用中[3]。

體外循環(huán)應(yīng)用中，不同類型手術(shù)對手術(shù)時間與血液流速有不同的需求，其中溶血與手術(shù)時間呈正相關(guān)關(guān)系[4]?；颊呤а^多且血源不足時，臨床上常用生理鹽水降低血液濃度[5]。因此，研究流速、時間與血液濃度對血液的影響具有較高的科研與應(yīng)用價值，有利于提高手術(shù)的安全性。

目前，針對血泵溶血的研究，主要利用計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）的方法。例如，通過CFD技術(shù)對血泵中的流場進行仿真，可得出溶血情況與血泵轉(zhuǎn)速正相關(guān)的結(jié)論[6-9]。Kamei等[10]以及 Pohlmann和 Hameyer[11]和使用 ANSYS ICEM CFD軟件，分析血泵中流場的各項因素，以檢驗血泵的安全性與血泵參數(shù)。此外，也有研究者通過體外水動力學測試的方法，分析血泵在工作中的力學參數(shù)，以得出更符合實際的數(shù)據(jù)[12-15]。目前，尚未發(fā)現(xiàn)基于血液體外循環(huán)實驗的血泵研究。

本研究中，依據(jù)相關(guān)體外溶血實驗標準[16]，搭建循環(huán)實驗裝置，分析循環(huán)時間、血泵轉(zhuǎn)速等因素對滾壓式血泵工作中溶血的影響。

1 實驗系統(tǒng)

血泵溶血模擬實驗系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要由血袋、循環(huán)裝置、模擬管路等組成。系統(tǒng)設(shè)計有采血口，便于血液采樣。系統(tǒng)運行時，管路在循環(huán)裝置的擠壓作用下，其中的血液開始流動并從血袋中流出，血液流經(jīng)模擬管路后最終流回血袋，從而構(gòu)成循環(huán)。為減小實驗部件對血液的破壞，設(shè)計時盡量減少阻尼閥的使用，并使用生物相容性較好的醫(yī)用耗材，以保證實驗結(jié)果的準確性。

1.1 體外循環(huán)裝置

所使用的體外循環(huán)裝置為WEL-1000HC型心肺機（天津匯鑫醫(yī)用設(shè)備有限公司），其機頭為平臥雙柱滾壓式血泵，如圖2所示。血泵的血液流速調(diào)節(jié)范圍為0～9.99 L/min，可模擬不同手術(shù)條件下的血液流速。

1.2 模擬管路

模擬管路由導管和三通閥等組成。導管為血液相容性較好的醫(yī)用聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）軟管，其內(nèi)徑 8 mm，外徑 10 mm，長 1～1.5 m。10 mm的外徑可保證導管順利通過滾壓泵。三通閥為一次性使用型，材質(zhì)為硬質(zhì)PVC[17]。三通閥有3個端口，其一端與裝有血液的PVC血袋[18]的出口相連，另外兩端分別連接導管以及作為采血口，所有連接處均用醫(yī)用黏著劑固定。導管的另一端與血袋的入口相連。采血口的開閉由三通閥的旋鈕進行控制。（圖 1）

2 方法

2.1 血樣采集與分析

采用美國材料試驗學會推薦的動物血液溶血實驗血液取用標準選取血液[19]。血液來源為健康的實驗豬，通過靜脈穿刺采集血液，采集到的新鮮血液進行檸檬酸鈉抗凝處理[20]，處理后的血液置于0～4℃冰箱中保存。0～4℃時，血液的有效期為35 d[21]，但為了確保實驗的準確性，所有實驗均在采血后7 d內(nèi)完成。

有研究結(jié)果表明，血液稀釋后，其凝血功能與血液稀釋程度相關(guān)[4]。在血液與生理鹽水的溶液中，血液的體積分數(shù)為80%時，其凝血進程加快；血液體積分數(shù)為70%和60%時，凝血過程未受影響；血液體積分數(shù)為50%時，血液凝血能力開始減弱；血液體積分數(shù)低于40%時，其凝血能力受到嚴重影響。因此，本研究中在研究血液濃度對溶血的影響時，選取血液體積分數(shù)為60%和70%兩個水平。

圖1 血泵溶血模擬實驗系統(tǒng)示意圖

圖2 心肺機的平臥雙柱滾壓式血泵

用生理鹽水（質(zhì)量分數(shù)為0.9%的氯化鈉溶液）配制體積分數(shù)分別為70%（1 000 ml）和60%（4 000 ml，平均分為4份）的血液。從每組血液中抽取10 ml用于配制陽性對照（5 ml）和陰性對照（5 ml）。其中，處理陽性對照時，在5 ml血液中加入8 ml蒸餾水，置入37℃水浴箱中保溫30 min；處理實驗樣本和陰性對照時，在5 ml血液中加入8 ml的質(zhì)量分數(shù)為0.9%的氯化鈉溶液，置入HH-W420型水浴箱（深圳惠利得電子科技有限公司）并在37℃下保溫30 min。

2.2 血泵參數(shù)對溶血的影響

將各實驗組血液分別加入血袋并標記。將血袋安裝到心肺機中，并使導管繞過平臥雙柱滾壓式血泵。血液流速分別設(shè)置為 1、2、3、4 L/min，每組實驗持續(xù)60 min，每隔10 min從采血口取5 ml血液樣本。采集到的樣本按2.1節(jié)中的步驟進行處理用于測試。各組實驗參數(shù)如表1所示。

表1 血泵溶血實驗分組

2.3 分析方法

所有處理過的血液用TD5A-WS離心機（湖南湘儀有限公司）在800 r/min離心5 min；此后，吸取上清液作為檢驗液，倒入石英比色皿中；取同體積的水置于石英比色皿中，作為空白對照液。使用L5S紫外可見分光光度計（上海精密儀器儀表有限公司）測量所有被測樣品在545 nm波長處的吸光度值。

以溶血率表示血液的被破壞程度，以陽性對照的吸光度和陰性對照的吸光度作為比對標準。溶血率的計算公式為

式中：Dt為實驗樣品吸光度；Dnc為陰性對照吸光度；Dpc為陽性對照吸光度。使用Excel軟件處理數(shù)據(jù)，所得溶血率數(shù)據(jù)采用一階線性擬合繪制曲線，分析變化規(guī)律。

3 結(jié)果

3.1 循環(huán)時間對溶血的影響

血泵的不同工作條件對血液溶血的影響結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，在相同血液流速下，血液循環(huán)時間越長，溶血率越高。由圖3A中的曲線可以看出，血液流速為1 L/min和2 L/min的血樣在測試過程中均發(fā)生了較為明顯的溶血率跳變情況，在循環(huán)時間超過30 min后，其曲線線性斜率均明顯增大；但在循環(huán)時間超過50 min后，線性斜率又回到30 min前的水平。但是，該現(xiàn)象在血液流速為3 L/min和4 L/min的血樣中則不明顯。

3.2 血液流速對溶血的影響

如圖3B所示，在相同循環(huán)時間下，血液流速越高，溶血率越高，表示血紅細胞越容易被破壞。不同血液流速條件下，血樣溶血率（y）與循環(huán)時間（x）的擬合曲線表達式如下

由擬合曲線表達式可知，血液流速越高，溶血率隨時間變化擬合曲線的R2值也越趨向于1，表明擬合曲線對觀測值的擬合程度越高，觀測值的線性度越好。

圖3 血泵不同工作條件對血液溶血的影響

3.3 血液體積分數(shù)對溶血的影響

不同稀釋程度對血液溶血的影響結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，在血液流速和循環(huán)時間一定的情況下，體積分數(shù)為60%和70%血液的溶血率結(jié)果相近，其線性擬合曲線的表達式如下

由擬合曲線表達式可知，血液體積分數(shù)為70%血液的溶血率擬合曲線斜率較60%的略高，表明在血液流速和循環(huán)時間一定的情況下，血液體積分數(shù)越高，溶血情況越嚴重。

圖4 血液體積分數(shù)對溶血的影響

4 討論

血紅細胞的細胞膜下方是一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膜骨架蛋白。其在短暫的外力下可改變狀態(tài)，但持續(xù)的外力可使膜骨架蛋白之間重新連接，導致血紅細胞永久變形但不破裂。但是，此狀態(tài)下的血紅細胞穩(wěn)定性差，再承受外力時易破碎[22]。Niimi[23]的研究結(jié)果表明，血紅細胞在受到剪應(yīng)力情況下，其破壞形式主要為細胞膜的疲勞破壞。

在體外循環(huán)中，循環(huán)時間越長，血紅細胞所受應(yīng)力周期數(shù)越高，越容易進入疲勞或亞損傷狀態(tài)，直至發(fā)生溶血。本研究的實驗結(jié)果表明，隨著循環(huán)時間延長，溶血率的回歸平方和在總平方和中所占的比率降低，數(shù)據(jù)逐漸趨于線性、穩(wěn)定。血液流速越高，血紅細胞所受的剪切力越大，受到的損傷就越嚴重[23]。因此，溶血率隨血液流速增大而增大，且流速越高，溶血率曲線的線性度越好。血液流速越小，血液內(nèi)部血紅細胞所受的剪切力越小，越符合血液動力學要求，血液的溶血程度越小[24]。血樣中血液的體積分數(shù)越大，其單位體積內(nèi)所包含的血紅細胞數(shù)越多，在同等循環(huán)條件下，其所受機械碰撞的概率越大，受損概率越大，溶血情況也越嚴重。另外，在血液循環(huán)的最初階段，溫度對溶血的影響較小。但隨著循環(huán)時間的延長，血樣的溫度升高，溶血加劇[5]。

此外，由于血紅細胞在發(fā)生破壞前，會進入亞損傷及細胞膜疲勞的狀態(tài)。因此，在循環(huán)一段時間后會發(fā)生溶血突變的情況[22，25]。本研究中，循環(huán)時間為0～30 min時，溶血率曲線斜率較低，而當循環(huán)時間超過30 min后，大量亞損傷及細胞膜疲勞的血紅細胞被完全破壞，反映為溶血率曲線的跳變。但是，隨著血液流速的升高，大量血紅細胞在發(fā)生亞損傷及細胞膜疲勞前就已破損，血紅細胞結(jié)構(gòu)的微小變化不容易體現(xiàn)。因此，溶血突變的現(xiàn)象在3、4 L/min的血液流速下不明顯。

本研究采用體外實驗的方法研究了血泵參數(shù)及血液稀釋程度對溶血的影響。但是，因為采用的是體外模擬的方法，部分客觀因素可能造成觀測值與實際值有所偏差。例如，抗凝劑的使用會導致血液pH值驟變[26]，另外血泵運轉(zhuǎn)發(fā)熱、能量轉(zhuǎn)移[27]、實驗儀器使用不當?shù)榷伎赡軐е氯苎?。此外，本研究中，采用溶血率作為評價指標，其反映的是血泵對血紅細胞的直接損傷，即血紅細胞的破裂，不能反映血紅細胞的亞損傷及其程度，也無法用來判斷延遲性溶血（外循環(huán)術(shù)后24 h內(nèi)的溶血）的嚴重程度[25]。有研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)流血泵中，與細胞的即時破損相比，血紅細胞的亞致死性損傷是更主要的損傷形式，當1個血紅細胞發(fā)生破損的同時，可能有500個發(fā)生細胞膜變化，并在術(shù)后24 h內(nèi)發(fā)生延遲性溶血[28]。因此，應(yīng)在后續(xù)研究中考慮血紅細胞的亞損傷情況。

5 結(jié)論

血泵循環(huán)時間越長、血泵轉(zhuǎn)速越高（血液流速越高），血紅細胞越容易發(fā)生破壞，即溶血率與循環(huán)時間和血液流速成正比。循環(huán)時間與血液流速一定的情況下，血液濃度越高，越容易發(fā)生溶血。此外，循環(huán)時間增長到一定程度時，溶血率曲線出現(xiàn)拐點，此時溶血趨勢會明顯增強。在外循環(huán)的臨床應(yīng)用中，應(yīng)在保證手術(shù)安全的情況下，盡可能地降低血液流速和血液濃度，以減少溶血；而在患者出現(xiàn)急性失血，其血液濃度受限時[4]，則應(yīng)在保證安全的情況下，盡可能地降低循環(huán)轉(zhuǎn)速、加快手術(shù)速度，減小溶血的發(fā)生概率。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突