基于滚压式血泵的溶血相关影响因素研究

蒋子昂 王陶涛 程加乐 展格格 谷雪莲

上海理工大学医疗器械与食品学院 200093

0 引 言

体外循环是利用一系列特殊人工装置将回心静脉血引流到体外，通过人工方法进行气体交换、调节温度、过滤等处理后，输回体内动脉系统的生命支持技术[1]。血泵是体外循环系统的重要组成部分，目前最常用的血泵形式为滚压式血泵[2]。在体外循环过程中，血红细胞易受挤压、碰撞，容易发生细胞膜破损，导致血红蛋白外流。该现象被称为溶血，其普遍存在基于血液透析仪、心肺机等循环装置的体外循环应用中[3]。

体外循环应用中，不同类型手术对手术时间与血液流速有不同的需求，其中溶血与手术时间呈正相关关系[4]。患者失血过多且血源不足时，临床上常用生理盐水降低血液浓度[5]。因此，研究流速、时间与血液浓度对血液的影响具有较高的科研与应用价值，有利于提高手术的安全性。

目前，针对血泵溶血的研究，主要利用计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）的方法。例如，通过CFD技术对血泵中的流场进行仿真，可得出溶血情况与血泵转速正相关的结论[6-9]。Kamei等[10]以及 Pohlmann和 Hameyer[11]和使用 ANSYS ICEM CFD软件，分析血泵中流场的各项因素，以检验血泵的安全性与血泵参数。此外，也有研究者通过体外水动力学测试的方法，分析血泵在工作中的力学参数，以得出更符合实际的数据[12-15]。目前，尚未发现基于血液体外循环实验的血泵研究。

本研究中，依据相关体外溶血实验标准[16]，搭建循环实验装置，分析循环时间、血泵转速等因素对滚压式血泵工作中溶血的影响。

1 实验系统

血泵溶血模拟实验系统如图1所示。系统主要由血袋、循环装置、模拟管路等组成。系统设计有采血口，便于血液采样。系统运行时，管路在循环装置的挤压作用下，其中的血液开始流动并从血袋中流出，血液流经模拟管路后最终流回血袋，从而构成循环。为减小实验部件对血液的破坏，设计时尽量减少阻尼阀的使用，并使用生物相容性较好的医用耗材，以保证实验结果的准确性。

1.1 体外循环装置

所使用的体外循环装置为WEL-1000HC型心肺机（天津汇鑫医用设备有限公司），其机头为平卧双柱滚压式血泵，如图2所示。血泵的血液流速调节范围为0～9.99 L/min，可模拟不同手术条件下的血液流速。

1.2 模拟管路

模拟管路由导管和三通阀等组成。导管为血液相容性较好的医用聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）软管，其内径 8 mm，外径 10 mm，长 1～1.5 m。10 mm的外径可保证导管顺利通过滚压泵。三通阀为一次性使用型，材质为硬质PVC[17]。三通阀有3个端口，其一端与装有血液的PVC血袋[18]的出口相连，另外两端分别连接导管以及作为采血口，所有连接处均用医用黏着剂固定。导管的另一端与血袋的入口相连。采血口的开闭由三通阀的旋钮进行控制。（图 1）

2 方法

2.1 血样采集与分析

采用美国材料试验学会推荐的动物血液溶血实验血液取用标准选取血液[19]。血液来源为健康的实验猪，通过静脉穿刺采集血液，采集到的新鲜血液进行柠檬酸钠抗凝处理[20]，处理后的血液置于0～4℃冰箱中保存。0～4℃时，血液的有效期为35 d[21]，但为了确保实验的准确性，所有实验均在采血后7 d内完成。

有研究结果表明，血液稀释后，其凝血功能与血液稀释程度相关[4]。在血液与生理盐水的溶液中，血液的体积分数为80%时，其凝血进程加快；血液体积分数为70%和60%时，凝血过程未受影响；血液体积分数为50%时，血液凝血能力开始减弱；血液体积分数低于40%时，其凝血能力受到严重影响。因此，本研究中在研究血液浓度对溶血的影响时，选取血液体积分数为60%和70%两个水平。

图1 血泵溶血模拟实验系统示意图

图2 心肺机的平卧双柱滚压式血泵

用生理盐水（质量分数为0.9%的氯化钠溶液）配制体积分数分别为70%（1 000 ml）和60%（4 000 ml，平均分为4份）的血液。从每组血液中抽取10 ml用于配制阳性对照（5 ml）和阴性对照（5 ml）。其中，处理阳性对照时，在5 ml血液中加入8 ml蒸馏水，置入37℃水浴箱中保温30 min；处理实验样本和阴性对照时，在5 ml血液中加入8 ml的质量分数为0.9%的氯化钠溶液，置入HH-W420型水浴箱（深圳惠利得电子科技有限公司）并在37℃下保温30 min。

2.2 血泵参数对溶血的影响

将各实验组血液分别加入血袋并标记。将血袋安装到心肺机中，并使导管绕过平卧双柱滚压式血泵。血液流速分别设置为 1、2、3、4 L/min，每组实验持续60 min，每隔10 min从采血口取5 ml血液样本。采集到的样本按2.1节中的步骤进行处理用于测试。各组实验参数如表1所示。

表1 血泵溶血实验分组

2.3 分析方法

所有处理过的血液用TD5A-WS离心机（湖南湘仪有限公司）在800 r/min离心5 min；此后，吸取上清液作为检验液，倒入石英比色皿中；取同体积的水置于石英比色皿中，作为空白对照液。使用L5S紫外可见分光光度计（上海精密仪器仪表有限公司）测量所有被测样品在545 nm波长处的吸光度值。

以溶血率表示血液的被破坏程度，以阳性对照的吸光度和阴性对照的吸光度作为比对标准。溶血率的计算公式为

式中：Dt为实验样品吸光度；Dnc为阴性对照吸光度；Dpc为阳性对照吸光度。使用Excel软件处理数据，所得溶血率数据采用一阶线性拟合绘制曲线，分析变化规律。

3 结果

3.1 循环时间对溶血的影响

血泵的不同工作条件对血液溶血的影响结果如图3所示。结果表明，在相同血液流速下，血液循环时间越长，溶血率越高。由图3A中的曲线可以看出，血液流速为1 L/min和2 L/min的血样在测试过程中均发生了较为明显的溶血率跳变情况，在循环时间超过30 min后，其曲线线性斜率均明显增大；但在循环时间超过50 min后，线性斜率又回到30 min前的水平。但是，该现象在血液流速为3 L/min和4 L/min的血样中则不明显。

3.2 血液流速对溶血的影响

如图3B所示，在相同循环时间下，血液流速越高，溶血率越高，表示血红细胞越容易被破坏。不同血液流速条件下，血样溶血率（y）与循环时间（x）的拟合曲线表达式如下

由拟合曲线表达式可知，血液流速越高，溶血率随时间变化拟合曲线的R2值也越趋向于1，表明拟合曲线对观测值的拟合程度越高，观测值的线性度越好。

图3 血泵不同工作条件对血液溶血的影响

3.3 血液体积分数对溶血的影响

不同稀释程度对血液溶血的影响结果如图4所示。结果表明，在血液流速和循环时间一定的情况下，体积分数为60%和70%血液的溶血率结果相近，其线性拟合曲线的表达式如下

由拟合曲线表达式可知，血液体积分数为70%血液的溶血率拟合曲线斜率较60%的略高，表明在血液流速和循环时间一定的情况下，血液体积分数越高，溶血情况越严重。

图4 血液体积分数对溶血的影响

4 讨论

血红细胞的细胞膜下方是一个网状结构的膜骨架蛋白。其在短暂的外力下可改变状态，但持续的外力可使膜骨架蛋白之间重新连接，导致血红细胞永久变形但不破裂。但是，此状态下的血红细胞稳定性差，再承受外力时易破碎[22]。Niimi[23]的研究结果表明，血红细胞在受到剪应力情况下，其破坏形式主要为细胞膜的疲劳破坏。

在体外循环中，循环时间越长，血红细胞所受应力周期数越高，越容易进入疲劳或亚损伤状态，直至发生溶血。本研究的实验结果表明，随着循环时间延长，溶血率的回归平方和在总平方和中所占的比率降低，数据逐渐趋于线性、稳定。血液流速越高，血红细胞所受的剪切力越大，受到的损伤就越严重[23]。因此，溶血率随血液流速增大而增大，且流速越高，溶血率曲线的线性度越好。血液流速越小，血液内部血红细胞所受的剪切力越小，越符合血液动力学要求，血液的溶血程度越小[24]。血样中血液的体积分数越大，其单位体积内所包含的血红细胞数越多，在同等循环条件下，其所受机械碰撞的概率越大，受损概率越大，溶血情况也越严重。另外，在血液循环的最初阶段，温度对溶血的影响较小。但随着循环时间的延长，血样的温度升高，溶血加剧[5]。

此外，由于血红细胞在发生破坏前，会进入亚损伤及细胞膜疲劳的状态。因此，在循环一段时间后会发生溶血突变的情况[22，25]。本研究中，循环时间为0～30 min时，溶血率曲线斜率较低，而当循环时间超过30 min后，大量亚损伤及细胞膜疲劳的血红细胞被完全破坏，反映为溶血率曲线的跳变。但是，随着血液流速的升高，大量血红细胞在发生亚损伤及细胞膜疲劳前就已破损，血红细胞结构的微小变化不容易体现。因此，溶血突变的现象在3、4 L/min的血液流速下不明显。

本研究采用体外实验的方法研究了血泵参数及血液稀释程度对溶血的影响。但是，因为采用的是体外模拟的方法，部分客观因素可能造成观测值与实际值有所偏差。例如，抗凝剂的使用会导致血液pH值骤变[26]，另外血泵运转发热、能量转移[27]、实验仪器使用不当等都可能导致溶血。此外，本研究中，采用溶血率作为评价指标，其反映的是血泵对血红细胞的直接损伤，即血红细胞的破裂，不能反映血红细胞的亚损伤及其程度，也无法用来判断延迟性溶血（外循环术后24 h内的溶血）的严重程度[25]。有研究结果表明，转流血泵中，与细胞的即时破损相比，血红细胞的亚致死性损伤是更主要的损伤形式，当1个血红细胞发生破损的同时，可能有500个发生细胞膜变化，并在术后24 h内发生延迟性溶血[28]。因此，应在后续研究中考虑血红细胞的亚损伤情况。

5 结论

血泵循环时间越长、血泵转速越高（血液流速越高），血红细胞越容易发生破坏，即溶血率与循环时间和血液流速成正比。循环时间与血液流速一定的情况下，血液浓度越高，越容易发生溶血。此外，循环时间增长到一定程度时，溶血率曲线出现拐点，此时溶血趋势会明显增强。在外循环的临床应用中，应在保证手术安全的情况下，尽可能地降低血液流速和血液浓度，以减少溶血；而在患者出现急性失血，其血液浓度受限时[4]，则应在保证安全的情况下，尽可能地降低循环转速、加快手术速度，减小溶血的发生概率。

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