国产螺旋导流集成式膜式氧合器的动物实验研究

在心脏直视手术中，心肺转流（cardiopulmonary bypass，CPB）是不可缺少的部分，其有效地保证患者手术安全与术野清晰［1］。膜式氧合器是CPB中重要组成部分之一，通过高分子纤维膜，模拟生物肺肺泡气体交换，完成O2和CO2的交换。中空纤维膜是膜式氧合器内气血交换的主要部位，除对膜材料改进外，对氧合器内流场进行优化，可以降低血流阻力，减轻血液破坏，更有利于氧合功能。由于膜式氧合器内血流扩散效率不佳，会导致中空纤维膜利用率降低［2］。针对现有技术不足，设计研发出螺旋导流集成式膜式氧合器，其内部螺旋导流构件是由芯轴体与环形导流板构成（图1）。一方面，可以保证血液以均匀分布的螺旋线方式切入、螺旋流动及切向离开，同时多孔导流板对内部血液进行二次分流，

实现流体在径向导流方向的均匀控制；另一方面，可以保证流动截面的缓和增大与流体路径方向改变减少，跨膜压差、血液破坏及血浆渗漏率显著性降低［3］。本研究采用的螺旋导流集成式膜式氧合器最大设计流量为7 L／min，在流量范围内，预计可以完成血液氧合与二氧化碳排除，调节血液温度，并且集成式动脉微栓滤器可以过滤＞38 μm的气泡与微粒。本研究目的是通过螺旋导流集成式膜式氧合器与Maquet公司的Quadrox-I膜式氧合器的比较，对其安全性与有效性进行临床前研究，为将来的临床研究提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料 本研究选择普通级巴马猪，动物体重范围为（85±5）kg，雌雄不限，正常饮食，购自广州饲料研究所。螺旋导流集成式膜式氧合器由东莞科威医疗器械有限公司提供，Quadrox-I膜式氧合器购自Maquet公司。其他主要实验设备与材料包括:麻醉机（Drager公司，德国）、多通道监护仪（迈瑞公司）、人工心肺机（Stocket公司，德国）、血氧饱和度检测仪（Medtronic公司，美国）、变温水箱（Stocket公司，德国）、活化凝血时间（activated clotting time，ACT）测试仪（Medtronic公司，美国）、乳酸林格液（山东威高公司）、羟乙基淀粉130／0.4氯化钠注射液（北京费森尤斯卡比公司）、鱼精蛋白（上海第一生化药业有限公司）、丙泊酚（AstraZeneca公司，英国），异氟烷（Abbott Laboratories公司，美国）等。

1.2 方法

1.2.1 实验分组 选取普通级巴马猪9只，按照随机数字表随机分为:①实验组（螺旋导流集成式膜式氧合器）6只，其中4只为术毕取组织样本，2只为术后30天取组织样本，②对照组（Quadrox-I膜式氧合器）3只，均为术毕取组织样本。

1.2.2 CPB动物模型 所有实验动物术前空腹12 h与禁水8 h。麻醉采用盐酸赛拉嗪肌肉内注射，待失去意识后，进行气管插管，连接麻醉机，予呼吸机辅助呼吸，通气量为 10 ml／kg，呼吸次数为 16 次／min，氧流量2 L／min，氧浓度50%。耳缘静脉建立静脉通道，静脉内缓慢滴注丙泊酚（2～8 mg／kg）维持麻醉。术中如动物发生苏醒，使用异氟烷（0～5%）给予吸入麻醉维持。术中监测动物心率、股动脉压力、股静脉压力、血氧饱和度、鼻咽温、尿量及ACT等。采用100 mg肝素、500 ml乳酸钠林格、1 000 ml羟乙基淀粉、10 mg托拉塞米及100 mg氢化泼尼松预充CPB管路。

图1 集成式流体径向螺旋导流结构示意图

手术入路采取正中劈开胸骨，上、下腔静脉至心尖部“T”字型切开心包，悬吊心包，全身肝素化（3 mg／kg），分别于升主动脉和右心房 4～0 Proline双荷包缝合，并分别于荷包线中心置入合适的动脉插管，双级静脉插管。当ACT＞480 s后开始CPB，给予 70%氧浓度，2.5～3 L／min通气量开始转机，给予7 L／min全流量后，开始降温，水箱温度设置为30℃，降至鼻咽温32℃停止降温并维持此温度，以50%氧浓度，通气量 2.5～3 L／min 流量维持 2.5 h 或者4 h后开始复温，氧浓度恢复70%，水箱温度设置为37℃，复温至鼻咽温36.5℃，转流时间为3 h或6 h停机。除转流时间为3 h的2只实验动物术后30 d取组织标本外，其余实验动物均在术后1 h，采集血样检测后处死。

1.2.3 主要终点与次要终点指标 主要终点指标:①氧合性能:动脉血气氧分压（PaO2）＞150 mm Hg；②二氧化碳排出能力:动脉血气二氧化碳分压（PaCO2）≤ 45 mm Hg；③变温速率:降温速率为从开始降温或复温至初次降温或复温结束时的鼻温差（ΔT）和时间差（Δt）之比，速率（E）= ΔT／Δt，E（℃ ／min）越大速率越快为优。次要终点指标:①血细胞破坏:血浆游离血红蛋白＜200 mg／L；②CPB全过程是否出现变温装置渗漏致水血混合；③中空纤维是否破裂致气血混合；④氧合器排气孔是否有血浆渗漏。在CPB开始达到目标流量后的基线值（T0）、降温至最低点（T1）、复温点（T2）及 CPB停机前（T3）采集上述指标。

1.2.4 苏木素伊红（Hematoxylin and Eosin， HE）染色与组织病理学检测 将福尔马林固定好的组织样品，经梯度酒精 30%、50%、60%、70%、80%、90%、95% （各2 h）及100%（共两次，每次45 min）脱水，按常规石蜡包埋切片制备方法，切片厚度4～5 μm，用于各种染色评估组织病理反应。切片经二甲苯脱蜡或脱塑后，梯度酒精浸泡后入水（由高至低浓度100%、95%、90%、80%、70%，每次1 min），苏木素染色，0.5%盐酸酒精分化，氨水反蓝，1%伊红染色后，镜检满意后，酒精脱水（由低浓度至高浓度70%、80%、90%、95%、100%，每次 1 min），二甲苯透明后中性树脂胶封片，在显微镜下观察组织是否发生病理学改变，并对观察结果进行描述。

1.2.5 扫描电镜检测 实验组氧合器完成既定流程，切开氧合器，随机选取5 cm2大小的中空纤维膜与微栓过滤膜，并且以未使用的氧合器为对照品。样品采用2.5%戊二醛固定后，在4℃冰箱进行样品脱水，冷冻干燥后对样品进行蒸镀金属作导电处理，最后，用扫描电镜检查表面形态，分析材料表面有无异常。

1.2.6 统计学分析 数据用Minitab 17软件进行统计学处理，正态分布数据且方差齐时，用均数±标准差（±s）表示，多组之间均数的比较采用方差分析；偏态分布数据或方差不齐时，多组和两组均数的比较采用秩和检验，此时数据用中位数（四分位间距）表示，P＜0.05为显著性差异。

2 结 果

2.1 实验动物基本情况

2.1.1 本实验研究过程共使用普通级巴马猪9只，所有实验动物经检疫与兽医检查，均符合入组条件。

2.1.2 实验组中1只巴马猪手术开胸后，发现心包粘连，分离主动脉和心包时，发生室颤死亡，其余8只均按实验方案要求完成实验，其中实验组3只与对照组3只各转机6 h，自主呼吸恢复存活1 h后取材，实验组2只转机3 h，术后30 d取材。所有实验动物CPB过程平稳，停机后均恢复自主呼吸存活至既定时间点。

2.2 主要终点指标 在CPB过程中，相比于对照组，实验组氧合能力符合临床需求，各时间点的PaO2＞150 mm Hg。在转机6 h后，实验组与对照组氧合能力无统计学差异（P＞0.05）；二氧化碳排除能力符合临床需求，各时间点的PaCO2≤45 mm Hg，也无统计学差异（P＞0.05）；其降温速率与复温速率均无统计学差异（P＞0.05）。 见表1。

2.3 次要终点指标 在CPB 6 h期间，随着转机时间延长，所有实验动物血浆游离血红蛋白水平均呈现升高趋势，但均未高于200 mg／L正常值。实验组与对照组各时点的血浆游离血红蛋水平均无统计学差异（表2）。螺旋导流集成式膜式氧合器的内部螺旋导流构件与同类产品比较未增加红细胞破坏的发生率。所有实验动物在CPB过程中，均未发生变温装置渗漏、中空纤维破裂及血浆渗漏。

2.4 组织病理学检查 实验组中3只动物在转机结束存活1 h后，分别取脑、心、肺、肝及肾的病理切片，进行HE染色，评价重要脏器的损伤情况。病理可见①大脑皮层未见异常，未见炎性细胞浸润，未见神经元水肿溶解；②肺泡未见扩张、水肿，未见炎性病变，间质组织极少量红细胞渗出；③心肌结构正常，未见萎缩、炎性细胞浸润、变性坏死；④肝小叶结构清楚，未见明显异常，肝细胞未见变性坏死，未见炎性细胞浸润；⑤肾小球结构未见异常，肾血管可见充血，局部肾小管周围可见较多淋巴细胞浸润，见图2。

表1 实验组与对照组主要结局指标结果（±s）

表2 两组血浆游离血红蛋白各时点结果（±s，mg／L）

图2 两组转机1 h后的动物主要器官病理变化（×200）

注:对照组:A:脑；B:肺；C:心；D:肝；E:肾；实验组 F:脑；G:肺；H:心；I:肝；J:肾。

为了动物实验可以取得螺旋导流集成式膜式氧合器临床前研究数据和经验，为将来的临床研究提供详细与准确的参考依据，实验组中另2只巴马猪转机3 h停机后，自主呼吸恢复撤机后存活30 d，意识功能正常，进食水正常，大小便排出正常。

2.5 扫描电镜检测 CPB 6 h后，切开氧合器随机取5 cm2样品进行扫描电镜观察。相比于未使用氧合器表面，实验组氧合器表面形态正常，未见异常，并且均无明显的血小板和血浆黏附，微栓过滤网可见少许微栓子粘附，未见严重堵塞与表面形态异常（图3）。

图3 实验组氧合器实验前后氧气交换膜及微栓过滤膜扫描电镜分析

注:A:未使用中空纤维膜；B:使用后中空纤维膜；C:未使用动脉滤器膜；D:使用后动脉滤器膜。

3 讨 论

第三，建立持续性双向激励及约束机制。外部监督的实现要求政府在政策制定、实施细则、需求发布等环节进行动态评估和人员追踪，落实惩戒措施以杜绝共谋行为的发生。一是形成有效监督网络，构建严厉惩处问责机制。二是持续动态审查。在委托购买前应对承接组织进行资质审核。签订合同后应通过科学细化的量化性指标，对中标组织进行持续性动态化专业考核以保证公共服务质量。购买合同中关于购买服务的各项参数及指标应由专业性权威机构确立。政府应根据第三方评估机构的评估及动态考察结果对效果较差的承接主体予以撤销资格并确立相应的惩罚措施。

动脉滤器是可以过滤微小气泡与微粒，是预防患者发生栓塞的最后一道保障［7］。传统CPB管路中，动脉滤器是一个独立的构件。随着生物医学工程技术进展，将动脉滤器装置整合于膜式氧合器，避免额外的预充量与降低人工材料接触面积，保证患者的安全。研究发现，整合动脉滤器的膜式氧合器，患者术后机械辅助通气时间与住院时间显著性降低［8-10］ 。

本实验从氧合性能、二氧化碳排出能力、变温能力、血细胞破坏等多个方面评价螺旋导流集成式膜式氧合器的性能。相比于对照组，实验组的PaO2、PaCO2及变温速率均能满足临床要求，并且与同类产品比较，螺旋导流部件未增加血细胞的破坏。组织病理分析观察到，重要脏器均未见到异常损伤。扫描电镜分析，氧合器内部未见严重堵塞与表面形态异常。

4 结 论

在CPB过程中，螺旋导流集成式膜式氧合器的氧合性能、二氧化碳排出能力及变温能力与目前临床上常用设计性能相当的氧合器相比无明显差异，预计可以满足临床需求，为后续的临床研究提供详细与准确的参考依据。