Исследование гемолитических свойств насоса дискового типа

Исследование гемолитических свойств насоса дискового типа. Патология кровообращения и кардиохирургия. 2020;24(1):87-93. http:// org/10.21688/1681-3472-2020-1-87-93

А.М. Головин, https://orcid.

Е.О. Головина, https://orcid.

А.С. Гренадеров, https://orcid.

А.В. Фомичев, https://orcid.

С.А. Альсов, https://orcid.

А.М. Чернявский, https://orcid.

Нехватка донорских органов является актуальной проблемой современной трансплантологии [1–3]. Имплантируемые системы вспомогательного кровообращения способны заменить насосную функцию сердца от нескольких дней до нескольких месяцев [4, 5]. Двухэтапный подход к проведению трансплантации сердца значительно повысил шанс выживания [6–8].

Несмотря на высокую необходимость в системах вспомогательного кровообращения в клиниках России, приобретение зарубежных аналогов ограничено высокой стоимостью [9]. Кроме того, не существует ни одной модели, которая идеально отвечала бы всем медико-техническим требованиям и была бы полностью безопасна для длительного использования в качестве замены насосной функции сердца [1, 10, 11]. Разработка и внедрение новых систем вспомогательного кровообращения являются актуальными и востребованными в нашей стране.

Важнейшим критерием безопасности аппаратов механической поддержки кровообращения является максимально бережное отношение к форменным элементам крови [12, 13]. Можно предположить более выгодные характеристики и большую безопасность аппаратов вспомогательного кровообращения на основе дискового насоса по отношению к форменным элементам крови за счет механизма действия и особенностей гемодинамики, отличных от других типов насосов [14, 15]. Уникальный механизм действия заключается в наличии пограничного слоя, который образуется на диске, вращающемся в жидкости. При этом молекулы жидкости блокируются на поверхности вращающегося диска и за счет вязкостного трения передают энергию вращения от пограничного слоя молекулам других слоев. Вследствие этого образуется мощное поле центробежной силы, которое создает равномерный гидравлический профиль скоростей и обеспечивает перекачку без пульсаций и вибраций. Пограничный слой не только передает кинетическую энергию, но и работает в качестве молекулярного буфера между поверхностью диска и кровью, минимизируя контакт форменных элементов крови и движущихся частей насоса [1, 15, 16, патенты США US8523539B2, US4403911].

Однако технологические параметры (форма приточного и отточного патрубков, качество обработки внутренней поверхности насоса и так далее) могут нивелировать этот уникальный механизм гемобезопас- ности. Цель данной работы — изучение безопасности конструкции нового устройства вспомогательного кровообращения по отношению к форменным элементам (эритроцитам) крови.

Методы

Испытания заключались в оценке свободного гемоглобина плазмы, получаемого с помощью забора проб крови в процессе работы насоса в рабочем режиме (2 300–2 500 об./мин, 5–6 л/мин, перепад давления на уровне зажима 100 мм рт. ст.). Для изучения гемолитической активности насоса вязкого трения мы создали гидродинамический стенд — замкнутый контур, состоящий из мешка с эластическими стенками, входного и выходного патрубков (1/2 дюйма), теплообменника, встроенного между приточной и отточной магистралями, и проточной магистрали/пробозаборника. С целью создания гидродинамического сопротивления — градиент давления (80–90 мм рт. ст.) — использовали дозированное сжатие отточной магистрали винтовым зажимом. Для поддержания постоянной температуры рабочего раствора (37 °С) использовали теплообменник. Для оценки уровня гемолиза при испытаниях насоса дискового типа применяли следующие методики определения уровня свободного гемоглобина.

Нормализованный индекс гемолиза (NIH) рассчитывали по формуле:

NIH g/1001 = pHbxVx

100-Ht

где pHb — увеличение свободного гемоглобина плазмы (г/л) в течение времени выборки; V — объем контура (л); Q — расход крови (л/мин); Ht — гематокрит (%); T — время работы насоса (мин).

Модифицированный индекс гемолиза (MIH) оценивали с учетом исходного уровня гемоглобина по формуле:

W,TII IT1 100-Ht      106

MIH = pHb x V x-------x---------,

100 QxTxHb где Hb — общий гемоглобин в начальный момент времени (мг/л); pHb — увеличение свободного гемоглобина плазмы (г/л) в течение времени выборки; V — объем контура (л); Q — расход крови (л/мин); Ht — гематокрит (%); T — время работы насоса (мин).

Рис. 1. Гидродинамический стенд для изучения гемолитических свойств дискового насоса: 1 — эластический резервуар, 2 — приточная магистраль, 3 — отточная магистраль, 4 — винтовой зажим, 5 — насос, Р1 — датчик давления на входе в насос, Р2 — датчик давления на выходе из насоса, Q — ультразвуковой датчик поток, Т — теплообменник (стрелкой указано направление движения крови)

Рис. 2. Стенд для изучения гемолитических свойств насоса дискового типа: 1 — насос, 2 — резервуар с кровью, 3 — датчик давления, 4 — датчик флоуметра, 5 — зажим для создания сопротивления, 6 — теплообменник, 7 — блок управления

В качестве рабочего раствора использовали свежую цельную донорскую кровь, забранную непосредственно перед стендовыми испытаниями. Заправку стенда проводили следующим образом: после монтажа контура и проверки на герметичность заполняли систему раствором Рингера (500 мл с добавлением 10 000 ед. гепарина) и выполняли деаэрацию на малых оборотах ротора (100–500 об./мин), после этого избыток раствора сливали (в системе оставляли 250 мл раствора) и добавляли цельную человеческую кровь (450 мл). На малых оборотах ротора производили микширование и согревание (до 37 °С) рабочего раствора. Уровень гематокрита во всех экспериментах составлял 28–30%. В течение стендового испытания дискового насоса производили измерение следующих параметров раствора крови: гематокрит (Hct, c), гемоглобин (ctHb), водородный показатель (pH), дефицит оснований (cBase, c). После этого повышали число оборотов ротора до 2 300–2 500 в мин, при этом производительность составляла 5–6 л/мин. Каждые 0,5 ч из контура производили забор проб крови (общее время циркуляции — 4 ч). С помощью лабораторной центрифуги из пробы выделяли плазму и на спектрофотометре (HemoCue Plasma Low/Hb, Швеция) оценивали уровень свободного гемоглобина. Математическую оценку гемолиза проводили на основании расчета нормализованного индекса гемолиза NIH и модифицированного индекса гемолиза MIH. Количественные показатели были представлены средними величинами и стандартными отклонениями.

Результаты

В ходе работы создан специальный гидродинамический стенд для испытаний гемолитических свойств разрабатываемого устройства (рис. 1, 2).

В серии экспериментов (n = 5) через 4 ч работы насоса в рабочем режиме (2 300–2 500 об/мин, 5–6 л/мин, перепад давления на уровне зажима

30      60      90     120     150     180     210    240

Время работы насоса, мин

Hb свободный

Рис. 3. Зависимость среднего уровня свободного гемоглобина от времени работы насоса

100 мм рт. ст.) свободный гемоглобин составил 2,2 ± 0,9 мг% (рис. 3). Индексы гемолиза составили NIH — 0,0013, MIH — 1,88 и являются лучшими из достигнутых значений среди подобных устройств (рис. 4).

Обсуждение

Полученные в стендовых испытаниях результаты, а именно минимальный уровень гемолиза, по данным расчетных значений индексов NIH и MIH, доказывают безопасность насосов вязкого трения по отношению к эритроцитам человеческой крови, что позволяет использовать их в качестве основы для создания нового типа устройств поддержки кровообращения.

Аппараты вспомогательного кровообращения являются средством, доказано снижающим смертность пациентов, страдающих терминальной стадией хронической сердечной недостаточности [15, 17, 18]. В числе первых идею использования насоса вязкого трения для перекачивания крови предложили G.E. Miller и соавт., которые еще в 90-х гг. прошлого века доказали минимальный уровень гемолиза данного типа насосов по сравнению с насосами центробежного типа. Однако вскоре по неясным

0,0025

2,56

Рис. 4. Модифицированный (MIH) и нормализованный (NIH) индексы гемолиза

NIH

причинам разработка этого устройства была приостановлена [19]. На наш взгляд, уникальный принцип действия дискового насоса имеет большие преимущества перед другими типами подобных устройств. Главное — минимальный контакт форменных элементов, в том числе тромбоцитов, с чужеродной поверхностью изделия [20, 21]. Именно это опасное взаимодействие и отсутствие достаточной степени гемосовместимости моделей аппаратов вспомогательной поддержки кровообращения требуют от пациентов соблюдение строгого режима антикоагулянтной терапии с целью предотвращения тромбоэмболических осложнений.

Базовым условием безопасности устройств, перекачивающих кровь, является бережное отношение движущихся частей по отношению к форменным элементам крови, поэтому исследование гемолитических свойств насоса — один из первых тестов, результаты которого определяют принципиальную возможность использования нового типа насоса в качестве основы для создания аппаратов механической поддержки кровообращения. Полученные в ходе испытаний результаты подтверждают преимущества насоса вязкого трения и его механизма действия перед аналогами. Так, например, по истечении 6-часовых стендовых испытаний отечественного устройства поддержки кровообращения Sputnik-2 уровень свободного гемоглобина составил 0,1–1,2 г/л [12].

Наша команда, помимо значительных модернизаций формы корпуса, оптимизации параметров и числа дисков, а также междискового расстояния, впервые для улучшения гемосовместимости внутренней поверхности и движущихся частей насоса применила a-C:H:SiOx покрытие, полученное с использованием импульсного биполярного напряжения смещения при плазмохимическом осаждении. Значимость подобной доработки неоднократно освещалась в других исследованиях, посвященных созданию биосовместимых покрытий [22–24]. В отличие от первой модели разрабатываемого насоса, лишенной a-C:H:SiOx покрытия, после нанесения такой пленки ни в одним случае не обнаружено сгустков крови на внутренних поверхностях движущихся частей насоса. Перечисленные доработки и изменения позволили доказать отсутствие гемолитических свойств насоса, отличный гемодинамический профиль потока и высокий уровень гемо- совместимости внутренней поверхности насоса. При этом максимальное напряжение сдвига в точке составило 70 Па, что существенно ниже описанных в литературе значений, определяемых в первых моделях данного типа насосов. Такие конструкторские доработки, как установка рассекателя потока в основании насоса, изменение конфигурации входного патрубка и снижение средней температуры двигателя, позволят избежать или минимизировать риск тромбоза на поверхности корпуса и движущихся частей насоса.

Заключение

Опытный образец аппарата вспомогательного кровообращения на основе насоса вязкого трения (дискового насоса) в ходе стендовых испытаний продемонстрировал хорошие параметры гемолитической активности по отношению к форменным элементам человеческой крови и может быть использован в качестве основы для создания аппаратов механической поддержки кровообращения, при условии внесения изменений в конструкцию, исключения застойных зон, снижения температуры двигателя.