人工心脏发展中的关键技术李莹1段婉茹2罗先武15,1树红1张明奎2许洪元摘要随着近年【程科学与技术的快速发展，人工心肌兀论作为人体心脏的替代还足作为心肌移植的过渡支持都己取得长足的进步，产品的机械性能和生物相容性能都得剑明显改善。到¨|j1：『为止，人T：心脏技术虽然得到较快发展，但在产品化及临床应用中存在许多技术瓶颈。本文分析了心脏泵的嘲内外研究现状，总结了人l：心脏泵研究和临床应用巾的一些关键技术问题，以便为促进人工心脏的技术进步和临床应用提供参考。关键词人上心脏；关键技术；上程科学中图分类号R318．6文献标识码A文章编号1002—3208(2008)0l一0100-05目前，使用人工心脏是对任何急性、慢性晚期心衰，在保守治疗无效时唯一的外科治疗手段。主要波用于：①心脏功能恢复的过渡，如急性心肌炎、心畦手术后严重低心排、急性广泛性心肌梗死、顽固性恶性心律失常、心脏移植后供体心衰竭等所致的心衰，以及各类药物治疗无效者。②心脏移植的过渡，。如患者由于供心的短缺，或者患者本身有急性感染，多器官衰竭等，以及需等待心脏移植等情况。③永久性治疗，即以人工心脏完全替代人的心脏。目前主要用于不适合心脏移植的终末心衰。如果人二[：心脏泵能够维持患者的生命达几十年，那么全世界每年将有1660万人不再死于和心脏有关的疾病¨1。基金项目：国家自然科学基金()、北京市自然科学基金()资助作者单位：1清华大学水沙科学与水电工程国家重点实验室(北京)2清华大学医学院(北京)作者简介：李莹(1984～)，女，硕士研究生，从事流体动力学应用及流体工程研究随着近年来工程科学的迅速发展，人工心脏无论作为治疗措施还是作为心脏移植的过渡支持都己取得了长足的进步”1。进入2l世纪以来，出现了多种新的人工心脏产品，部分产品已开始商品化；一些心脏泵产品得到较大改进，在临床应用后使心力衰竭的病人症状得以明显改善。但是，诸如术后出吼、肾功能衰竭、多器官功能衰竭、血栓栓塞、感染等并发症发生率仍较高，严重影响患者的生存率。这些问题都涉及当前人工心脏领域的关键技术，严重制约着人工心脏的发展。本文分析r人工心脏的国内外研究现状，并总结J'心脏泵研究和临床应用中的一些关键技术问题，以促进人工心脏的技术进步和临床应用。1人工心脏的发展历程及现状人工心脏概念的提出和产品的研制最初出现在国外。早在1812年，法国外科医生LeGallois指出在人工泵的帮助下有可能维持器官的功能。1937 i|燃慧菩||||一一一一～一一一一一鬈慧篙然一一一～一一一帆一～||帆一M～一～～一一～．||{一一～一一一一一一一～一栅。一砒叭=|～㈨心ⅢⅢ砌叭篙珊如篇攀=h．一～～酬一一一一咄批一础Ⅲ舭{|‰一岫抽m舭”¨：2 b m"，Ⅲ”∽七一破一㈨一一圳～～～№脚№㈣_薹帅妇一一一第1期人[心脏发展巾的关键技术·101·年，JohnGibbon展示了在猫身I二做试验的心肺机。1957年，WilliamKolff和TetsuoAkutsu在狗身上成功装了一个空气驱动的人：【心脏，这也是人类历史_}二第一次研制出心脏泵一。，第一代心脏泵主要是以气体驱动的容积式泵，属于脉动式人_l：心脏，以日本东洋纺研制的心脏泵为代表性产品。容积式心脏泵的核心结构是一个由柔韧性材料啊成的腔囊。囊腔用于容纳血液，腔两端连接进、出u导管，Ji二在两接【J处分别放置单向阀|、J(瓣膜)以保证血液单向流动。采用正负』长力的-≥气、液体、电磁力或机械力方式使驱动膜或囊按要求产生周期性运动。囊腔壁受到外力时，腔内容积被迫变化，完成泵Ⅱ：【：【功能。由于脉动式人工心脏按照固定的频率泵送m液，符合人体的自然生理特征，H泵对m液的破坏很小。但存在产品体积大、隔膜和阀等部件易产生机械疲劳、效率低、产品的使用寿命较短等问题。日前，由BaxterHeahhcare公司生产的Novaeor等产品仍在心外科临床小使用。连续流式心脏泵足现有人工心脏的另一类形式，从结构上可分为叶片式泵、滚子式泵、滑片式泵等。其中叶片式泵按流体的设计原理还可分为离心式泵、轴流式泵、斜流式泵等。无论何种形式，连续流式心脏泵均采用高速旋转的叶轮驱动血液单向流动，彳i需要控制血流方向的单向阀门。连续流式泵克服了容积泵体积大、结构复杂、工作寿命短、能耗高等缺点，尤其适用于永久性植入体内时采用。连续流式心脏泵发展较快，到目前为止已经历了几次产品换代。第二代心脏泵主要指有接触轴承和密封装置的连续流式心脏泵，具体产品包括MicroMedDeBakeyVAD、Jarvik2000VAD，以及theNimbus—TCIHeartMateIIVAD等。第二代心脏泵的主要缺陷是有与血液接触的轴承和密封装置，使心脏泵的血液易遭受污染。第三代心脏泵是指没有接触轴承的连续流式心脏泵，产品包括TerumoVAD、MedQuestHeartquestVAD等。第三代心脏泵采用磁悬浮轴承，与第二代心脏泵相比最大优势在于血液污染易于控制。但磁悬浮系统要求较复杂的结构和控制方法，且需耗费额外的能量。第四代心脏泵则采用动力11-r轮悬浮系统，克服了第三代心脏泵复杂磁轴承装置的缺点，其产品如VentraAssist、NEDO回转式永久移植式心脏泵等，结构简洁、体积进一步缩小，性能得到进一步改善，为临床应用带来方便。尽管连续流式心脏泵在小型化方面有极大优势，但仍属于非仿，E类的心脏泵，高速旋转的摩擦热及电机散发的热量对血液的影响不容忽视。到目前为止，人工心脏的临床应用主要集中在美国和欧洲。在我国，清华大学第一附属医院吴清玉教授于2001年3月为一例晚期心力衰竭患者成功植入了Novacor人工左心辅助装置，明显改善了患者的生活质量，并于2003年4月为该患者进行了心脏移植，术后患者已恢复工作”J。在此后的几次心脏危重病手术中，吴清K教授成功地将体外循环I缸泵装置与心外科手术有机结合，挽救了多名重症病人的生命。然而，由于人一12心脏是一种基于多学科、多种技术集成的新生事物，其临床应用效果还不能有效控制。凶此，针对人工心脏的具体问题，开展多方位、高强度的研究工作非常迫切。2当前人工心脏研究中面临的关键技术问题有关人工心脏的大量研究工作集中在连续流式人n心脏，冈而本文仅讨沦连续流式人工心脏。连续流式心脏泵虽然发展很快，但是它在临床应用中 j_}{现_r一些问题。连续流式心脏泵在研究和临床应用中遇到的儿个__}三要问题列举如下。2．1生理相容性生理相容性主要指人工心脏对血液的红细胞和凝『f『L系统的损害程度，即人工心脏的抗溶血性和抗【fIl栓问题。当血液流经心脏泵时，血液中的红细胞将不同程度地遭到破坏，释放出血红蛋白而发生溶 m；而心脏泵流道内发生流动停滞的区域将可导致血液中的血小板凝聚而形成血栓。研究"’6。发现：离心式人工心脏泵中的二次流动与溶血和血栓形成具有相关性，不规则流线、湍流和流动方向的突然改变等内部流态将产生高剪切力，可增加红细胞的机械损伤而导致溶血；轴承或支撑部分附近的流动停滞区，容易产生血栓，限制血泵的使用时间。此外，血液在人工心脏泵的停留时问也与血液的生理活性密切相关，血液微团在泵内运动的流线或迹线也有一定要求。因此，人工心脏泵的生理相容性要求人工心脏泵的流道没计必须严格满足壁面剪切力、血液与壁面的相对速度等条件。在今后较长的时期内，流动优化设计将是人工心脏泵的主要研究难点之一。·102·北京牛物医学l：程第27卷2．2流量的精确控制在临床应用中发现，人工心脏的流量精确控制方面也需要大量研究：①生理实验过程中曾发现有过度抽吸的现象，有时会导致左心室塌陷，使得心内膜乃至部分心肌组织嵌入心脏泵的人口，影响泵的运行流量。这类现象甚至有可能影响人体的正’常’生理活动。②长期运用轴流泵、离心泵等连续流式泵作为人工心脏是今后的发展方向。如何模仿心脏白身的Starling机制，在人进行体育锻炼，以及其它需要的时候，适时、适量地增加心脏泵的血液输出是提高病人生活质量的关键。③目前，对于长期用平流灌注仍有争议。有实验表明，血管跃期小发牛搏动会导致主动脉管壁结构的改变以及血管收缩功能下降门】。，这说明长期使用连续流式人工心脏将对患者的血管功能导致负面效应，影响患者的康复和长久的健康。因此，根据人体的各种基本生理需求，如何针对不同的使用情况对人工心脏的流量进行精确控制，在可能的条件下实现这一目标对心脏泵的研究将是一个重要的挑战。2．3稳定性及耐久性人工心脏泵的使用寿命主要受密封性能和电机寿命的影响。在这里前者似乎更重要。，心脏泵的密封主要包括电机密封和轴承密封。20世纪80年代出现的离心式血泵巾，电机Lj泵之间的密封多采川类似“O”型圈的弹性密封方式，如HIA—MedosAG牛产的Delta—Stream离心式血液泵采用了紧密配合的橡胶圈密封，也很难保证较长时间的无泄漏连续r作。根据清华大学第一附属医院的多次临床试验，采用类似橡胶圈的密封方式时，血泵的有效使用寿命一般小于7天。除了密封圈密封外，其它密封方式还有磁性联轴密封、磁流体的磁力密封、曲轴驱动等，但随之带来了复杂的结构、磁流体的污染及曲轴易折断等问题。在第三、四代心脏泵中，由于采用了磁悬浮轴承和动力悬浮轴承¨’…，可以解决轴承密封和机械磨损的问题。但同时对泵叶轮的运转控制、电机的设计和加工提出了更高要求。如果在人工心脏的设计中进一步考虑流量的精确控制，则需要涉及到与人体生理活动相关的生物信息等人们目前尚未完全掌握的技术领域，对未来人工心脏的动力系统和控制系统研究也是一个严重的挑战。此外，人工心脏的运行稳定性还与有效散热、能源供应等问题有直接联系。心脏泵产热主要来白IfⅡ液运动的摩擦热和电机发热两方面。．在人T心脏的设计。}，，必须使这些热量通过血液循环过程向体外排放，保持散热与产热的平衡。3改善人工心脏性能的几个重点研究方向山于人I：心脏技术属于一个综合多学科的高新技术，其研究内容涉及甚广。以F就几个影响心脏泵性能的关键问题进行阐述。3．1流体动力学设计流体动力学设计旨仵减少或避免不规则的『f『L流模式，提高人丁心脏的抗溶血和抗阻栓能力。因为红细胞的破坏来自流场内流动急剧变化引起的高剪切力，血液与异物表而接触和流动死Ⅸ又是m栓形成的主要因素。因此，人工心脏流动设计的具体日标就是：通过研究，尽量减少与血液接触的泵内面积，以减少由于红细胞与人工表面摩擦而产生的破坏；优化泵的结构，解决血液的非定常不规则流动对血液的破坏。…’“1。该领域的研究应该主要解决阿方面问题：①提高心脏泵内部血液非定常流动模拟的准确度，为流动没计提供依据。因为对于心脏泵内血液的流动特征以及流道结构对11fL液的破坏作用，需要利刚血液的非牛顿特性才能得到更加准确的结果¨…。。San— droDeGruttola等人对血液分离器的CFD。”』就是一个很好的例证，而目前对血泵内部流场很少采用非牛顿流体模型进行研究。②采用新的试验于段研究叶轮流道内部的流动细节，以便进一步改进离心血液泵的流道设计114’”1。其中基于折射率匹配的PIV方法。1叫是一种新的流场实验研究方法。存研究中如何完善已有的实验手段、探索新的试验方法对人工心脏的发展具有重要意义。此外，人工心脏的流体动力学没计还包括新型的泵模式¨7'”I、几何参数对泵的水力性能㈠9。及，卜理相容性影响等方面的研究。”’。这些研究rtr以为人工心脏的优化设计提供具体的数据资料。3．2材料选择和处理心脏泵长期置于心脏内部的心室，对材料及其表面的生物相容性要求非常高。生物组织相容性好，一般是指细胞容易贴壁且能迅速繁殖生长。但对于与血液接触的循环系统来说，为了避免引起m栓形成，希望细胞难以贴壁且不易增殖。第1期人【心脏发展中的关键技术·103·目前，心脏泵采用钛金属、医用高分子材料如聚氨酯“。、聚碳酸酯等，或采用生物材料作为心脏泵的表面涂层。为了更好地提高人1：心脏的乍物相容性，·力‘面应加快研究价格较低、制备及加I：方便的新型生物材料，一方面应根据心脏泵材料表面的，Ii物环境，研究有效的表面处理方法。改进材料性能的方法有：表面活性药物处理、表面涂层处理使血泵材料表面旱现，卜物惰性、表面内皮细胞化处理等。采刚涂层办法时，必须使表面光滑，尽量减少微栓形成，不形成大的I|!lL栓，从mi不致影响正常V,J z生理机能。除满足m液相容性要求外，而心脏泵内壁表面材料还必须承受一定¨i差的|『Ⅱ液刈1其7ffI刷作用而不致脱落。3．3心脏泵电磁轴承的高性能与可靠性 l叫际I：将电磁轴承技术应用于人工心脏在已有20多年的历史。瑞十gerhat’dSchweitzer教授¨2。存2002年国际机构学与机器科学联合会l：指出了}乜磁轴承可靠性研究的重要意义，受到了广泛的重视。在这个研究领域产生了一些科研成果，而H．部分成果已转化为产品并进入实质性应用。国内对心脏泵电磁轴承的研究起步晚，在电磁轴承的设计及控制等方面嵋_”1近年进展较快，但日前尚未形成产品。今后，进一步开展没计优化、高性能控制与可靠性研究将是电磁轴承研究的摹本思路和方向”。3．4心脏泵生理评价体系研究人1：心脏对受体牛理相容性的影响至关重曼，也是心脏泵的必要研究内容之～。心脏泵的生理相容性研究主要须考察心脏泵对受体的m细胞、‘肾脏和肝功能、体循环和肺循环等方面的影响12…。在动物实验阶段，观察心脏泵辅助对m细胞的影响，如『f【L液的红细胞(RBC)、血红蛋白(HGB)、血球容积(HCT)及游离血红蛋白(FHB)的含量，血小板(PI．T)及乳酸脱氢酶(I,DH)的定量分析；分析对动物的肾脏功能影响，如测定血尿素氮(BUN)及肌酐(creatinine)的变化；分析对肝功能的影响，如测定胆红素(bilirubin)及转氨酶的变化。此外，还须分析体循环及肺循环血管阻力及压力的变化等。在目前的研究中，刘‘心脏泵动物模型、生理相容性各种参数都没有明确的规定，还需要通过不断实践，最终完善人』j心脏的生理评价体系，并建立心脏泵产品或相关的行业标准，以促进人工心脏研发的健康、有序发展。3．5其它方面人工心脏的驱动能源及其传送也将是较长期的一个研究方向。目前心脏泵的动力一般来自外部电源。为了使病人摆脱外部电源的束缚，提高术后的社会参与、改善生活质量，必须研究经皮肤传输的电源系统以及感应充电式电源的研究。2“。为保障心脏泵的稳定性和安全性，还必须开展一系列精确控制的研究，如生物信息收集及处理、泵血量的高精度计量及控制等。‘'4结语与展望国内外大量的研究和临床应用都证实，严重心衰的病人施行人工心脏泵支持后心肌功能可以恢复，长期的人二[心脏泵支持可能使心肌从肉眼到组织解剖、生理以及细胞功能，包括钙离子转运、糖原利用等方面得到明显的改善，病人可能成功撤离人 h心脏泵并长期存活，称之为“心肌恢复的过渡支持”。如果病人经过长期人工心脏泵支持后心肌功能得以恢复，等待心脏移植的病人可望大量减少。近10年，国内外在人l：心脏的研究与临床应用进展迅速，在临床中抢救了许多重症心力衰竭病人的生命。这些实例为心血管疾病高发病率的现代社会带来了救命曙光。人们已经认可人工心脏泵有助于终末期心衰病人的治疗，人工心脏可以成为心脏移植的替换物。通过今后的不断努力，人们希望心衰患者存应用心脏辅助后可以存等待供心期间回家享受正常的牛活，甚至町以恢复工作，大幅度提高病人的社会参与度。这些愿望的实现都有赖上述几个关键技术研究的顺利进展。国外的人工心脏泵价格昂贵，在我国目前社区医疗水平较低及经济不发达的条件下，人工心脏泵的推广应用还会有许多困难。但无论如何，研制小型化、高功能、少并发症、为病人提供高生活质量的人工心脏已经成为我国心脏外科领域重要的任务和发展方向。参考文献[1][2][3][4][5]AmericanMedicalAssoeiation，2002，Heart disease and strokes statistics一2003Update．AmericanHeartAssociation，Dallas，TXMalcheskyPS．BloodPumpTechnology：AC rowdedArena?[J]．ArtificialOrgans，2006，30(3)：129一I30．OlsenDB．Presidential address：the history of continuous flow blood pumps[J]．ArtificialOrgans，2000，24(6)：401—404．求生的路我们一起走．健康报．第7版．北京：2004—10—28．ZhangJ，GellmanB，KoertA，et a1．Computational and experi—