史国宁，陈庆良，陈彤云，刘建实△
国产气动搏动性心室辅助装置的体外流体力学及动物实验观察
史国宁1，2，陈庆良2，陈彤云2，刘建实2△
目的对我国自主研发气动搏动性心室辅助装置进行体外流体力学检验及活体动物应用实验，检验其是否满足临床心室辅助装置要求。方法通过体外模拟循环实验台，30%甘油水溶液作为循环介质，接入心室辅助装置，测定不同模式下血泵的后负荷和流量，以此检测装置的流体力学效果。对6只实验犬应用心室辅助装置左心辅助模式1 h，之后药物KCl诱颤心脏，5 min后除颤。监测心室辅助装置对实验犬的心率、血压支持效果。结果心室辅助装置流体力学实验后负荷100 mmHg条件下，流量可达到4 L/min以上。实验犬经左室安装辅助装置后，各时间点心率无明显变化。辅助后即刻与辅助前相比收缩压升高约30 mmHg，舒张压升高约19 mmHg。辅助过程中未见明显血压波动。诱颤后可维持收缩压60 mmHg，除颤后撤除装置存活良好。结论该心室辅助装置所产生的流体压力可基本满足临床心室辅助要求，短期应用于实验犬有效、安全、稳定，长期使用效果尚需进一步实验证明。
心脏，人工；心脏辅助装置；血流动力学；动物实验；心室辅助装置；流体力学
近年来我国心血管疾病的发病率逐年增高，尤其是终末期心力衰竭的增加已成为严重的社会公共卫生问题。人工心脏——心室辅助装置（ventricular assistance device，VAD）的出现为药物和外科治疗无效的心力衰竭或心脏移植前的过渡支持提供了新的治疗手段。但在我国由于装置材料的生物相容性、耐久性等问题，尚未能达到生产出成品的要求。由中国科学院化学研究所和天津市胸科医院共同设计并初步生产的一种具有自主知识产权的气动隔膜式搏动性心脏辅助装置已通过溶血实验、细胞毒性实验等检验，现通过体外模拟循环台对装置进行体外流体力学实验，以检验其后负荷压力和流量是否可达到临床应用标准，并进一步应用于动物实验，为接下来的临床应用奠定基础。
1 材料与方法
1.1实验动物及材料选取天津市心脏病研究所提供的实验用杂交犬6只，体质量（35±2）kg。储血罐、体外循环用管道（天津塑料仪器厂生产）；阻尼阀、超声流量计探头（大连海峰TDS-100H超声流量计）；压力计探头（德国testo管路内液体压力测试仪）。采用30%甘油水溶液（上海恒兴分析纯级甘油）作为循环介质。
1.2心室辅助装置的结构与原理装置设计为双气动膜结构的泵体。其主要包括血腔动作膜、双层气动膜、血腔、气动腔、出入口及相关附件等7个部分，见图1。
此装置的气室和血室之间以隔膜分开，气室通过管路直接和体外驱动器连接，血室有2个接口，均装有聚胺酯制作的三叶瓣膜，以维持血流单向流动。如作为左室辅助装置，流入道和左心房或左心室尖连接，流出道直接和升主动脉吻合；如作为右室辅助装置，流入道则连接右心房，流出道连接到肺动脉。
1.3心室辅助装置的流体力学实验体外模拟循环台在天津市心脏病研究所动物实验室内建立。由储血罐、体外循环用管道、阻尼阀、超声流量计探头、压力计探头、心室辅助装置出入接口组成，见图2。超声流量计探头置于血泵流入端，压力计探头连接于血泵流出端与阻尼阀之间。
采用30%甘油水溶液作为循环介质，其黏滞度接近于血液。气动腔接口连接MEDOS-VAD心室辅助系统，分别采用10 mL、25 mL、60 mL模式进行驱动。血泵前负荷通过变动储血罐与血泵高度调节为1.5 m（13 mmHg，1 mmHg=0.133 kPa），后负荷通过阻尼阀进行调节，分别以阻尼阀全开和调节阻尼阀至后负荷为100 mmHg时进行血泵输出量检测。
1.4心室辅助装置的动物实验将实验犬常规全麻后气管插管，呼吸机维持呼吸，肝素化血液，正中锯开胸骨，分别以4-0 porlin线于左心耳和升主动脉缝荷包，插入体外循环管路（已灌注预充液），固定，充分排气后分别连接心室辅助装置出入口。
左室辅助装置气动腔接口连接MEDOS-VAD心室辅助系统，选用25 mL左室单心室辅助模式启动。分别于心室辅助前，辅助后即刻、10 min、30 min、1 h记录实验犬心率、血压等生命体征。1 h后以KCl诱颤心律，将左室辅助装置气室搏动量调至60 mL，记录心率、血压。5 min后心外膜电除颤，恢复实验犬正常心律，见图3。实验过程中如血压有较大波动即时记录，并分析原因。实验结束后拔出实验犬左心耳及主动脉插管管路，关胸，记录关胸后生命体征。
1.5统计学方法使用SPSS 13.0统计软件进行数据处理。正态分布数据采用均值±标准差表示，不同时点间数据比较应用重复测量资料的方差分析，P＜0.05为差异有统计学意义。
Fig.2The schematic diagram of hydrodynamic testing of ventricular assist device图2 心室辅助系统体外流体力学实验台示意图
2 结果
2.1体外流体力学实验结果在阻尼阀全开时，心室辅助系统最大可产生69 mmHg压力、6.6 L/min流量，而在后负荷压力达到100 mmHg以上（即满足人体正常血压）时，装置最大可产生5.3 L/min流量。如采用较小驱动模式，则可相应减少流量，以满足不同输出要求，见表1。
Tab.1The in vitro hydrodynamic record of ventricular assist device表1 心室辅助装置体外流体力学记录
心室辅助装置运行过程中气室活动度、密闭性及瓣膜抗返流均良好，由MEDOS-VAD心室辅助系统带动，性能稳定。
2.2动物实验结果实验犬在心室辅助装置启动后，心率在辅助期间各时间点、关胸后与辅助前比较无明显变化，辅助后即刻与辅助前比较动脉收缩压升高约30 mmHg，舒张压升高约19 mmHg，辅助过程中未见明显血压波动。在室颤后，心室辅助可维持收缩压在60 mmHg以上，除颤后血压、心率恢复正常，撤除辅助装置关胸后6只实验犬循环稳定，血压、心率正常，生命体征正常。见表2。实验过程中均未见明显血红蛋白尿，血泵拆除后血腔内未见明显血栓，但瓣膜处可见少量血栓。
Tab.2The record of basic and vital signs in experimental dogs表2 实验犬基本生命体征记（n=6
Tab.2The record of basic and vital signs in experimental dogs表2 实验犬基本生命体征记（n=6
＊＊P＜0.01；a与T1比较，b与T2比较，c与T3比较，d与T4比较，e与T5比较，f与T6比较，g与T7比较，P＜0.05
辅助前（T1）125±17 95±17 62±10临床参数心率（次/min）收缩压（mmHg）舒张压（mmHg）辅助后即刻（T2）131±22 125±19a 81±11a辅助后10 min（T3）120±10 127±23a 89±12ab辅助后30 min（T4）129±22 135±21a 95±12abc辅助后1 h（T5）127±19 133±22a 92±11ab F 916.211＊＊272.287＊＊360.804＊＊临床参数心率（次/min）收缩压（mmHg）舒张压（mmHg）室颤（T6）-64±9abcde 17±7abcde除颤后（T7）107±29b 102±24bcdef 58±13bcdef关胸后（T8）136±30 119±29f 70±13bcdefg
3 讨论
3.1心室辅助装置概述心室辅助装置经过多年的发展，先后出现了容积式血泵、轴流式血泵、电磁悬浮式旋转离心泵，即所谓的第一代、第二代和第三代血泵装置。第一代血泵具有搏动性泵血，更符合人体生理状态的特点，是欧洲最早开始也是技术最成熟的一种，并在北美也有一定量的临床应用［1］。第二代、第三代均为非搏动性泵血，第二代体积更小而第三代对血球破坏小，更耐久［2-4］。本实验所应用的气动搏动性心室辅助装置属于第一代血泵，和欧美国家生产的Berlin Heart Excor，Abiomed BVS5000等相比，在材料上使用了新型生物相容性聚氨酯，具有自主知识产权，且造价更低［5］。在之前的溶血实验、细胞毒性实验、血小板黏附实验中，材料均表现出良好的生物医学性能［6］，符合进一步进行整体装置实验的要求。
3.2本装置流体力学检验作为辅助心室功能的血泵，首先要求在维持一定血压的前提下，输出量能够满足人体需求。本流体力学实验通过调整储血罐液面高度，模拟正常人体左心室舒张末期压力5～15 mmHg，阻尼阀调节心室辅助装置后负荷至100 mmHg左右（即正常成人平均血压），在气室60 mL驱动模式下，流量可到达5.3 L/min，符合正常成人心搏出量；而在10 mL、20 mL驱动模式下，流量分别为2.7 L/min和4.2 L/min，也基本可满足临床对小儿心衰的辅助要求。此外，当实验中后负荷压力下降，流量（血泵搏出量）会相应上升，这是气动搏动性血泵的优势之一，临床应用时，当患者血压降低，经过辅助后的心搏出量会相应增加，以弥补器官灌注的不足。该心室辅助装置实验过程中未发现有漏液等现象，且通过压力计读数观察未发现人工瓣膜有明显返流。
3.3本装置动物学实验本实验依照犬心脏大小选取25 mL模式启动，可见将收缩压提高30 mmHg左右，而舒张压提高19 mmHg左右，从启动即刻至1 h，未见血压有明显波动，且心率无明显变化，说明心室辅助应用于实验动物安全稳定。但实验犬在实验过程中处于麻醉静息状态，如在清醒活动状态下，自身基础血压和心率可能会有波动，且随着体位的变化，血泵的稳定性和与心脏搏动的同步性均需要进一步验证。室颤时，提高血泵搏出量至60 mL，收缩压与舒张压均可维持于一定水平，持续室颤5 min，除颤复律后心脏搏动良好，血压与室颤前一致。临床中慢性心衰患者通常心室扩大，心脏电传导性差，易发生室性心律失常。应用心室辅助装置，可为提高电除颤复苏成功率提供有效保障。实验过程中实验犬未出现血红蛋白尿，表明血泵对血细胞破坏较小，无明显溶血发生，但在实验完毕后清洗血泵时发现人工瓣膜处有少量血栓。血栓的形成是影响心室辅助装置长期使用的最主要制约因素，目前在Berlin Heart Excor等应用中已提出应用肝素涂层管路可有效降低血栓发生率［7］。在今后的装置设计中如尝试对人工瓣膜进行肝素处理，或在材料选用上改用组织相容性更好的人工材料甚至同种材料，将会对该血泵的耐久性有更好的提升。
通过体外流体力学实验和短期动物实验，该心室辅助装置运行稳定，输出量达到预期目的。但目前心室辅助装置实验尚为短效实验，且仅为左室单心室辅助模式，距离进入临床试验阶段还需长期动物实验以及全心室辅助模型等的进一步检验。
（图1、3见插页）
［1］Almond CS，Morales DL，Blackstone EH，et al.Berlin Heart EX⁃COR pediatric ventricular assist device for bridge to heart transplan⁃tation in US children［J］.Circulation，2013，127（16）:1702-1711.doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.112.000685.
［2］MitterN，SheinbergR.Updateonventricularassistdevices［J］.CurrOpin Anaesthesiol，2010，23（1）:57-66.doi:10.1097/ACO.0b013e3283346c83.
［3］John R.Current axial-flow devices--the HeartMate II and Jarvik 2000 left ventricular assist devices［J］.Semin Thorac CardiovascSurg，2008，20（3）:264-272.doi:10.1053/j.semtcvs.2008.08.001.
［4］Agarwal S，High KM.Newer-generation ventricular assist devices［J］.Best Pract Res Clin Anaesthesiol，2012，26（2）:117-130.doi: 10.1016/j.bpa.2012.01.003.
［5］Feng YK，Zhao HY，Zhang L，et al.Surface modification of biomaterials by photochemical immobilization and photograft polymerization to improve hemocompatibility［J］.Frontiers of Chemical Engineering in China，2010，4（3）:372-381.doi：10.1007/s11705-010-0005-z.
［6］Wang HY，Feng YK，Behl M，et al.Hemocompatible polyurethane/ gelatin-heparin nanofibrous scaffolds formed by a bi-layer electros⁃ pinning technique as potential artificial blood vessels［J］.Frontiers of Chemical Science and Engineering，2011，5（3）:392-400.doi：10.1007/sl1705-011-1202-0.
［7］Beiras-Fernandez A，Kanzler I，Michel S，et al.Platelet factor 4-positive thrombi adhering to the ventricles of a ventricular assist de⁃vice in patients with heparin-induced thrombocytopenia type II［J］. Transplant Proc，2013，45（5）:2013-2016.doi:10.1016/j.transpro⁃ceed.2013.01.045.
（2014-11-10收稿 2015-03-10修回）
（本文编辑 李鹏）
Study of hydrodynamic in vitro and animal experiment of a homebred pneumatic pulsatile ventricular assist device
SHI Guoning1，2，CHEN Qingliang2，CHEN Tongyun2，LIU Jianshi2△
1 Tianjin Medical University，Tianjin 300070，China；2 Department of Cardiac Surgery，Tianjin Chest Hospital△
ObjectiveTo study in vitro hydrodynamics of a pneumatic pulsatile ventricular assist device developed ex⁃clusively by China，and establish an animal model for the detection by the device.MethodsThe hydromechanics experi⁃ment was performed on an in vitro test loop using MEDOS-System to drive the ventricular assist device，and lycerl-water so⁃lution was used as circulating medium.The changes of afterload pressure and the output of the pump were monitored，and the impermeability and stability were also assessed after the experiment.Six adult dogs were used as the experimental animals. The device worked in the left heart assistance mode for 1 hour then the ventricular fibrillation was induced by potassium chloride，and then defibrillated after 5 min while the device remained working.The hemodynamics data were monitored con⁃secutively during the trial.ResultsThe ventricular assist device worked stably and reliably during the hemodynamic exper⁃iment.The pump can generate more than 4 L/min flow against the afterload pressure of 100 mmHg.There were no significant changes in heart rate at different time points in experimental dogs after left ventricular assist.Comparison between after auxil⁃iary immediately and former auxiliary，the diastolic blood pressure of dogs increased 30 mmHg with the ventricular assist，and the diastolic pressure increased 19 mmHg.No obvious fluctuation in blood pressure was found during the auxiliary pro⁃cess.The diastolic blood pressure stayed at 60 mmHg when the heart was in ventricular fibrillation，and returned to normal after electrical defibrillation.ConclusionThe ventricular assist device works stably in vitro test，and the pump can meet the need of adult’s ventricular assist.It is effective and security to dogs in short term.The effects of long-term use need to be future proved.
heart，artificial；heart-assist devices；hemodynamics；animal experimentation；ventricular assist device；hydromechanics
R318.11，R356
A
10.11958/j.issn.0253-9896.2015.07.011
天津市科委科技支撑计划（08ZCKFSF03300）
1天津医科大学（邮编300070）；2天津市胸科医院心脏外科
史国宁（1981），男，硕士在读，主要从事胸心外科方面的研究
△通讯作者E-mail：jianshiliu@aliyun.com
