膜式氧合器是体外膜肺氧合系统（ECMO）的核心部件，它利用大量中空纤维膜丝来模仿肺的功能，清除血液中的二氧化碳，并将低氧血液转化为富氧血液，也被成为“人工肺”。血栓是氧合器使用过程中最常见的并发症。氧合器内复杂的血流动力学环境以及膜丝等非生物表面与血液大量接触是导致氧合器内血栓形成的主要因素。目前，氧合器的抗血栓策略是在氧合器的血液接触表面（膜丝和管路）上使用抗血栓涂层。抗血栓涂层在氧合器使用早期可在一定程度上抑制血栓形成，但随着ECMO临床支持时间的延长，涂层作用会逐渐降低，氧合器的血栓形成风险并不能消除。氧合器内血栓一旦形成，不仅会阻碍血液流动，降低血氧交换效率，还会增加血管栓塞风险，严重影响患者的治疗和康复。此外，ECMO在临床使用过程中虽然也会使用肝素等抗凝药物，但这些抗凝药物在抑制氧合器血栓形成的同时也会影响人体的正常凝血功能，增加患者的出血并发症风险。由于氧合器内部的血流流场对其血氧交换性能和血栓风险有很大影响，在抗凝涂层和抗凝药物都存在局限性的情况下，通过流体力学方法优化氧合器内部血流动力学环境是提升氧合器血氧交换效率、减少血栓发生风险和改善氧合器性能最有效的方法。将血流动力学建模仿真方法与血氧交换模型及血栓风险模型相结合，可以定性或半定量地评估氧合器的性能，识别氧合器中的不良设计因素并进行优化改进，最终实现优化氧合器内部流场，减少血栓风险和提高血氧交换效率的目标。
图1：构成ECMO的血泵（人工心脏）和氧合器（人工肺）
本研究从血液动力学角度对氧合器进行研究。首先，本研究基于氧合器内部血液流动产生的剪切力和纤维膜丝所致的表面接触对凝血系统的影响，从血小板、凝血因子和止血蛋白等多个维度构建了一个血栓风险评估模型。同时，本研究通过考虑膜丝排列方式、孔隙率、氧气浓度、膜丝内外氧分压和血氧饱和度等多个因素构建了一个氧合器血氧传输模型，并利用体外血氧传输实验修正模型系数，以实现氧合器血氧传输效率精确预测和评估。
图2：基于剪切力和表面接触的血栓风险评估模型
图3：多指标血氧传输评估模型
本研究利用上述模型结合体外实验，系统地研究了氧合器在不同临床支持模式下和不同类型的商用氧合器的血氧传输能力和血栓风险。通过正交优化实验对氧合器进行研究，明确氧合器构型设计与压力损失、血氧传输效率和血栓风险之间的关系，并设计出性能优良的氧合器样机构型。
图4：技术路线
模拟和实验结果表明，当氧合器在低流量工况下运行时，氧合器的压力损失低，血氧传输效率高，但会产生大量的凝血酶，从而导致血栓风险增加。对于膜丝区域相同的氧合器来说，氧合器的外部结构变化不会影响其血氧传输效率和凝血酶的产生，但会导致压力损失和血栓风险的变化。具体来说，方形氧合器的压力损失和血栓风险大于圆形氧合器，单入口氧合器的压力损失和血栓风险大于多入口氧合器，下进下出的氧合器进出口方式导致的压力损失和血栓风险大于中进中出的氧合器进出口方式。氧合器的高血栓风险区域多位于血液与血液以及血液与边界撞击区域。本研究对 81 个氧合器的入口和出口进行正交实验研究，发现在满足同样血氧传输效率的情况下，血液从氧合器入口面几何中心进入，从出口面的上部或下部流出且氧合器流域为圆形时血栓风险最低。
图5：基于上述研究成果开发的氧合器样机，多轮次长时间（20天）大动物实验表明该氧合器血氧传输效率高且血栓风险低。
团队介绍
李远 （第一作者）
李远，北京航空航天大学生物与医学工程学院博士研究生，中国心胸血管麻醉学会体外生命支持分会青年委员。主要从事血液接触医疗设备的血液损伤机理研究和高性能样机研发等工作。作为核心成员参与了国产化ECMO样机的研发，主要负责核心部件血泵和氧合器的样机设计，血液损伤数学模型开发和体外血液损伤测试等工作。现以第一作者身份发表SCI论文13篇（6篇一区/TOP论文和4篇封面文章），申获国内和国际发明专利7项，在国内外重要学术会议上口头报告10余次（5次获得优秀口头报告奖），曾获国家奖学金、优秀毕业生以及北航博士研究生卓越学术基金等20余项荣誉和奖励。
陈增胜 （通讯作者）
陈增胜，北京航空航天大学生物与医学工程学院教授，博士生导师，国家级青年人才，中国生物医学工程学会理事，中国生物医学工程学会机械循环支持分会副主任委员。研究方向为生命支持医疗装备(人工心脏、人工肺、VAD、ECMO等)研发及相关临床血栓、出血并发症机理研究。曾在人工心脏国际权威吴忠俊教授(美国马里兰大学医学院Peter Angelos杰出教授)团队从事人工心脏研究工作多年(2013-2019)，主导3款便携式ECMO系统研发(2款成功实现产业化)。目前主持国家重点研发计划专项课题，北市科委新冠肺炎疫情科技防控重点项目，国家自然基金面上项目，国家级青年人才项目，人工心脏产品创新研发企业合作项目等多个科研项目。申获国内和国际专利30余项，发表 SCI 论文60余篇；受邀在人工器官国内外重要学术会议上作邀请报告20余次；曾获美国人工器官协会(ASAIO)青年创新人才奖和北京航空航天大学五四奖章。
樊瑜波 （通讯作者）
樊瑜波，北京航空航天大学生物与医学工程学院教授，国家“杰青”、长江学者、国家自然科学基金创新群体负责人、美国医学与生物工程院（AIMBE）、国际医学与生物工程科学院（IAMBE）、世界生物材料学会（FBSE）会士。现任北航生物与医学工程学院、医学科学与工程学院、医工交叉创新研究院院长，生物力学与力学生物学教育部重点实验室主任等。曾任中国生物医学工程学会理事长、世界华人生物医学工程协会（WACBE）主席、世界生物力学理事会（WCB）理事、全国生物力学专业委员会主任委员等。
北航体外生命支持课题组是在陈增胜教授，樊瑜波教授和邓小燕教授的指导下开展研究工作，主要从事高端生命支持医疗装备（人工心脏，人工肺、ECMO等）的研发及血液损伤机理研究，血液损伤数学模型构建和人工心脏、人工肺等产品样机性能体外评测等工作。
课题组长期招收博士后、博士及硕士研究生，欢迎具有生物力学，细胞生物学，叶轮机械（离心泵等），流体力学建模与仿真，生物材料（抗血栓涂层等）和心血管医学等背景的优秀学子加入: peter32101131@126.com, czsbme@buaa.edu.cn。
文章信息
A comprehensive study of oxygenator gas transfer efficiency and thrombosis risk
Yuan Li (李远), Hongyu Wang (王红宇), Xingji Fu (付兴吉), Yifeng Xi (席一峰), Anqiang Sun (孙安强), Zengsheng Chen (陈增胜), Yubo Fan (樊瑜波)
Physics of Fluids 36, 081916 (2024)
https://doi.org/10.1063/5.0227077
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期刊介绍
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