李靜文，李軼江，陶 軍，王 臻，彭金星，周曉健，胡 強

在心臟直視手術中，心肺轉流（cardiopulmonary bypass，CPB）是不可缺少的部分，其有效地保證患者手術安全與術野清晰［1］。膜式氧合器是CPB中重要組成部分之一，通過高分子纖維膜，模擬生物肺肺泡氣體交換，完成O2和CO2的交換。中空纖維膜是膜式氧合器內氣血交換的主要部位，除對膜材料改進外，對氧合器內流場進行優(yōu)化，可以降低血流阻力，減輕血液破壞，更有利于氧合功能。由于膜式氧合器內血流擴散效率不佳，會導致中空纖維膜利用率降低［2］。針對現(xiàn)有技術不足，設計研發(fā)出螺旋導流集成式膜式氧合器，其內部螺旋導流構件是由芯軸體與環(huán)形導流板構成（圖1）。一方面，可以保證血液以均勻分布的螺旋線方式切入、螺旋流動及切向離開，同時多孔導流板對內部血液進行二次分流，

實現(xiàn)流體在徑向導流方向的均勻控制；另一方面，可以保證流動截面的緩和增大與流體路徑方向改變減少，跨膜壓差、血液破壞及血漿滲漏率顯著性降低［3］。本研究采用的螺旋導流集成式膜式氧合器最大設計流量為7 L／min，在流量范圍內，預計可以完成血液氧合與二氧化碳排除，調節(jié)血液溫度，并且集成式動脈微栓濾器可以過濾＞38 μm的氣泡與微粒。本研究目的是通過螺旋導流集成式膜式氧合器與Maquet公司的Quadrox-I膜式氧合器的比較，對其安全性與有效性進行臨床前研究，為將來的臨床研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料 本研究選擇普通級巴馬豬，動物體重范圍為（85±5）kg，雌雄不限，正常飲食，購自廣州飼料研究所。螺旋導流集成式膜式氧合器由東莞科威醫(yī)療器械有限公司提供，Quadrox-I膜式氧合器購自Maquet公司。其他主要實驗設備與材料包括:麻醉機（Drager公司，德國）、多通道監(jiān)護儀（邁瑞公司）、人工心肺機（Stocket公司，德國）、血氧飽和度檢測儀（Medtronic公司，美國）、變溫水箱（Stocket公司，德國）、活化凝血時間（activated clotting time，ACT）測試儀（Medtronic公司，美國）、乳酸林格液（山東威高公司）、羥乙基淀粉130／0.4氯化鈉注射液（北京費森尤斯卡比公司）、魚精蛋白（上海第一生化藥業(yè)有限公司）、丙泊酚（AstraZeneca公司，英國），異氟烷（Abbott Laboratories公司，美國）等。

1.2 方法

1.2.1 實驗分組 選取普通級巴馬豬9只，按照隨機數(shù)字表隨機分為:①實驗組（螺旋導流集成式膜式氧合器）6只，其中4只為術畢取組織樣本，2只為術后30天取組織樣本，②對照組（Quadrox-I膜式氧合器）3只，均為術畢取組織樣本。

1.2.2 CPB動物模型 所有實驗動物術前空腹12 h與禁水8 h。麻醉采用鹽酸賽拉嗪肌肉內注射，待失去意識后，進行氣管插管，連接麻醉機，予呼吸機輔助呼吸，通氣量為 10 ml／kg，呼吸次數(shù)為 16 次／min，氧流量2 L／min，氧濃度50%。耳緣靜脈建立靜脈通道，靜脈內緩慢滴注丙泊酚（2～8 mg／kg）維持麻醉。術中如動物發(fā)生蘇醒，使用異氟烷（0～5%）給予吸入麻醉維持。術中監(jiān)測動物心率、股動脈壓力、股靜脈壓力、血氧飽和度、鼻咽溫、尿量及ACT等。采用100 mg肝素、500 ml乳酸鈉林格、1 000 ml羥乙基淀粉、10 mg托拉塞米及100 mg氫化潑尼松預充CPB管路。

圖1 集成式流體徑向螺旋導流結構示意圖

手術入路采取正中劈開胸骨，上、下腔靜脈至心尖部“T”字型切開心包，懸吊心包，全身肝素化（3 mg／kg），分別于升主動脈和右心房 4～0 Proline雙荷包縫合，并分別于荷包線中心置入合適的動脈插管，雙級靜脈插管。當ACT＞480 s后開始CPB，給予 70%氧濃度，2.5～3 L／min通氣量開始轉機，給予7 L／min全流量后，開始降溫，水箱溫度設置為30℃，降至鼻咽溫32℃停止降溫并維持此溫度，以50%氧濃度，通氣量 2.5～3 L／min 流量維持 2.5 h 或者4 h后開始復溫，氧濃度恢復70%，水箱溫度設置為37℃，復溫至鼻咽溫36.5℃，轉流時間為3 h或6 h停機。除轉流時間為3 h的2只實驗動物術后30 d取組織標本外，其余實驗動物均在術后1 h，采集血樣檢測后處死。

1.2.3 主要終點與次要終點指標 主要終點指標:①氧合性能:動脈血氣氧分壓（PaO2）＞150 mm Hg；②二氧化碳排出能力:動脈血氣二氧化碳分壓（PaCO2）≤ 45 mm Hg；③變溫速率:降溫速率為從開始降溫或復溫至初次降溫或復溫結束時的鼻溫差（ΔT）和時間差（Δt）之比，速率（E）= ΔT／Δt，E（℃ ／min）越大速率越快為優(yōu)。次要終點指標:①血細胞破壞:血漿游離血紅蛋白＜200 mg／L；②CPB全過程是否出現(xiàn)變溫裝置滲漏致水血混合；③中空纖維是否破裂致氣血混合；④氧合器排氣孔是否有血漿滲漏。在CPB開始達到目標流量后的基線值（T0）、降溫至最低點（T1）、復溫點（T2）及 CPB停機前（T3）采集上述指標。

1.2.4 蘇木素伊紅（Hematoxylin and Eosin， HE）染色與組織病理學檢測 將福爾馬林固定好的組織樣品，經(jīng)梯度酒精 30%、50%、60%、70%、80%、90%、95% （各2 h）及100%（共兩次，每次45 min）脫水，按常規(guī)石蠟包埋切片制備方法，切片厚度4～5 μm，用于各種染色評估組織病理反應。切片經(jīng)二甲苯脫蠟或脫塑后，梯度酒精浸泡后入水（由高至低濃度100%、95%、90%、80%、70%，每次1 min），蘇木素染色，0.5%鹽酸酒精分化，氨水反藍，1%伊紅染色后，鏡檢滿意后，酒精脫水（由低濃度至高濃度70%、80%、90%、95%、100%，每次 1 min），二甲苯透明后中性樹脂膠封片，在顯微鏡下觀察組織是否發(fā)生病理學改變，并對觀察結果進行描述。

1.2.5 掃描電鏡檢測 實驗組氧合器完成既定流程，切開氧合器，隨機選取5 cm2大小的中空纖維膜與微栓過濾膜，并且以未使用的氧合器為對照品。樣品采用2.5%戊二醛固定后，在4℃冰箱進行樣品脫水，冷凍干燥后對樣品進行蒸鍍金屬作導電處理，最后，用掃描電鏡檢查表面形態(tài)，分析材料表面有無異常。

1.2.6 統(tǒng)計學分析 數(shù)據(jù)用Minitab 17軟件進行統(tǒng)計學處理，正態(tài)分布數(shù)據(jù)且方差齊時，用均數(shù)±標準差（±s）表示，多組之間均數(shù)的比較采用方差分析；偏態(tài)分布數(shù)據(jù)或方差不齊時，多組和兩組均數(shù)的比較采用秩和檢驗，此時數(shù)據(jù)用中位數(shù)（四分位間距）表示，P＜0.05為顯著性差異。

2 結 果

2.1 實驗動物基本情況

2.1.1 本實驗研究過程共使用普通級巴馬豬9只，所有實驗動物經(jīng)檢疫與獸醫(yī)檢查，均符合入組條件。

2.1.2 實驗組中1只巴馬豬手術開胸后，發(fā)現(xiàn)心包粘連，分離主動脈和心包時，發(fā)生室顫死亡，其余8只均按實驗方案要求完成實驗，其中實驗組3只與對照組3只各轉機6 h，自主呼吸恢復存活1 h后取材，實驗組2只轉機3 h，術后30 d取材。所有實驗動物CPB過程平穩(wěn)，停機后均恢復自主呼吸存活至既定時間點。

2.2 主要終點指標 在CPB過程中，相比于對照組，實驗組氧合能力符合臨床需求，各時間點的PaO2＞150 mm Hg。在轉機6 h后，實驗組與對照組氧合能力無統(tǒng)計學差異（P＞0.05）；二氧化碳排除能力符合臨床需求，各時間點的PaCO2≤45 mm Hg，也無統(tǒng)計學差異（P＞0.05）；其降溫速率與復溫速率均無統(tǒng)計學差異（P＞0.05）。 見表1。

2.3 次要終點指標 在CPB 6 h期間，隨著轉機時間延長，所有實驗動物血漿游離血紅蛋白水平均呈現(xiàn)升高趨勢，但均未高于200 mg／L正常值。實驗組與對照組各時點的血漿游離血紅蛋水平均無統(tǒng)計學差異（表2）。螺旋導流集成式膜式氧合器的內部螺旋導流構件與同類產品比較未增加紅細胞破壞的發(fā)生率。所有實驗動物在CPB過程中，均未發(fā)生變溫裝置滲漏、中空纖維破裂及血漿滲漏。

2.4 組織病理學檢查 實驗組中3只動物在轉機結束存活1 h后，分別取腦、心、肺、肝及腎的病理切片，進行HE染色，評價重要臟器的損傷情況。病理可見①大腦皮層未見異常，未見炎性細胞浸潤，未見神經(jīng)元水腫溶解；②肺泡未見擴張、水腫，未見炎性病變，間質組織極少量紅細胞滲出；③心肌結構正常，未見萎縮、炎性細胞浸潤、變性壞死；④肝小葉結構清楚，未見明顯異常，肝細胞未見變性壞死，未見炎性細胞浸潤；⑤腎小球結構未見異常，腎血管可見充血，局部腎小管周圍可見較多淋巴細胞浸潤，見圖2。

表1 實驗組與對照組主要結局指標結果（±s）

表1 實驗組與對照組主要結局指標結果（±s）

項目 時點 實驗組（n=5） 對照組（n=3） P值PaO2（mm Hg） T0 260.1±61.9 229.7±77.6 0.561 T1 333.5±135.9 229.7±77.6 0.280 T2 272.4±30.0 223.0±29.3 0.127 T3 281.2±67.2 223.0±106.4 0.164 PaCO2（mm Hg） T0 38.0±2.8 37.3±1.5 0.715 T1 38.8±10.0 38.3 ±1.19 0.941 T2 37.7±4.37 36.8±1.56 0.740 T3 36.2±2.73 38.1±1.40 0.328降溫速率（℃ ／min） 0.48±0.24 0.43±0.13 0.771復溫速率（℃ ／min） 0.47±0.11 0.46±0.07 0.915

表2 兩組血漿游離血紅蛋白各時點結果（±s，mg／L）

表2 兩組血漿游離血紅蛋白各時點結果（±s，mg／L）

時點 實驗組（n=5） 對照組（n=3） P值T0 48.8±11.9 65.0±11.9 0.112 T1 77.3±59.3 87.0±53.4 0.824 T2 18.57±11.3 13.61±55.6 0.512 T3 19.28±9.41 16.90±79.8 0.728

圖2 兩組轉機1 h后的動物主要器官病理變化（×200）

為了動物實驗可以取得螺旋導流集成式膜式氧合器臨床前研究數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，為將來的臨床研究提供詳細與準確的參考依據(jù)，實驗組中另2只巴馬豬轉機3 h停機后，自主呼吸恢復撤機后存活30 d，意識功能正常，進食水正常，大小便排出正常。

2.5 掃描電鏡檢測 CPB 6 h后，切開氧合器隨機取5 cm2樣品進行掃描電鏡觀察。相比于未使用氧合器表面，實驗組氧合器表面形態(tài)正常，未見異常，并且均無明顯的血小板和血漿黏附，微栓過濾網(wǎng)可見少許微栓子粘附，未見嚴重堵塞與表面形態(tài)異常（圖3）。

圖3 實驗組氧合器實驗前后氧氣交換膜及微栓過濾膜掃描電鏡分析

3 討 論

膜式氧合器的主要特點是血液與氣體不直接接觸，借助中空纖維膜完成氧氣與二氧化碳交換。膜式氧合器的氣體交換能力主要取決于中空纖維膜與內部纖維排列。一方面，對中空纖維膜材料進行改進，如膜材料涂層技術，不僅可以有效地提高膜材料透氧性與預防血漿滲漏，還可以提高其生物相容性與保護血液。另一方面，對氧合器內部流場進行優(yōu)化，更加合理的排布中空纖維膜，不僅可以提高氧合與二氧化碳排除能力，還可以降低剪切力對血細胞的影響。氧合器內部血液滯留區(qū)會導致血細胞沉積，并且會造成無效氧合，降低其氧合功能［4］。Graefe等設計出六邊形氧合器，優(yōu)化內部流場，有效地降低血液滯流區(qū)，明顯地提高氧合器氧合功能［5］。研究發(fā)現(xiàn)，內部流場優(yōu)化還可以降低血小板激活，減輕血栓形成［6］。螺旋式血氣分離結構使血液在入口處有效排出血液中的氣體，最大限度地減少氣栓發(fā)生率，并且保證血液氣體交換更為高效和減輕高剪切應力對血液細胞的破壞。

動脈濾器是可以過濾微小氣泡與微粒，是預防患者發(fā)生栓塞的最后一道保障［7］。傳統(tǒng)CPB管路中，動脈濾器是一個獨立的構件。隨著生物醫(yī)學工程技術進展，將動脈濾器裝置整合于膜式氧合器，避免額外的預充量與降低人工材料接觸面積，保證患者的安全。研究發(fā)現(xiàn)，整合動脈濾器的膜式氧合器，患者術后機械輔助通氣時間與住院時間顯著性降低［8-10］。

本實驗從氧合性能、二氧化碳排出能力、變溫能力、血細胞破壞等多個方面評價螺旋導流集成式膜式氧合器的性能。相比于對照組，實驗組的PaO2、PaCO2及變溫速率均能滿足臨床要求，并且與同類產品比較，螺旋導流部件未增加血細胞的破壞。組織病理分析觀察到，重要臟器均未見到異常損傷。掃描電鏡分析，氧合器內部未見嚴重堵塞與表面形態(tài)異常。

4 結 論

在CPB過程中，螺旋導流集成式膜式氧合器的氧合性能、二氧化碳排出能力及變溫能力與目前臨床上常用設計性能相當?shù)难鹾掀飨啾葻o明顯差異，預計可以滿足臨床需求，為后續(xù)的臨床研究提供詳細與準確的參考依據(jù)。