可植入搏动式超声致动血泵关键技术基础研究

为解决现有血泵动作技术不能完全从小型化和减轻对血液破坏两个方面同时满足人工心脏辅助要求的问题，本申请拟利用超声电机结构紧凑多样、体积小、重量轻、宁静运转、输出力矩密度大、输出转速与心率数值接近、响应速度快等特点，探索性地研究超声致动血泵，以获得同时具有搏动血流、对血液破坏小和易植入特点的新型人工心脏血泵。为此，本申请拟通过基于可植入性、血液流量、压力、温度场及对血液破坏估计的超声致动血泵结构优化设计研究，基于血液循环生理参数辨识的血泵控制方法研究，基于电气安全性和植入要求的血泵超声电机设计研究，基于材料生物相容性的超声致动血泵设计研究，及体外和植入一周的动物模型实验研究等，设计、制作出满足有效性、电气安全性和生物相容性的可植入搏动式超声致动血泵。本课题不仅为新型植入搏动式人工心脏辅助研究与开发，同时也为组织工程生物反应器研制精确模拟自然心脏血液动力学特点的新型血泵，提供理论和技术基础。

本课题按计划取得预期成果，研制的直径60mm高度40mm超声致动血泵在后载荷96mmHg时，可产生2.4L/min的流量，第一次以可植入胸腔的尺寸实现搏动式血泵的流量和压力指标，具有临床应用的潜能。在体旁辅助动物模型实验中，利用直径86mm高度47mm的超声致动血泵（后载荷100mmHg时，可产生5L/min的流量），将左心室血液经心房插管导入到血泵中，经血泵加压后，输送到主动脉中。术后稳定后游离血红蛋白含量32mg/dl，动物模型实验存活20小时。主要具体的研究进展有：1）、利用流场计算，发现血液腔出入口布置在血液腔圆周切向，且入口管路与出口管路之间形成的夹角与心尖朝向与升主动脉之间夹角相同时，血液流线能够形成规则的漩涡流，可稳定冲刷血液腔，且血液剪切力远小于溶血阈值。 2)利用血泵与人体血液循环的联合建模及其仿真研究，采用反圆筒形内凸轮的机械运动转换机构，实现了可植入胸腔和腹腔超声致动血泵的设计和制作; 3)在基于电气安全性和植入要求的血泵超声电机设计研究方面：在完成血泵电机的电气安全设计基础上，探索采用双频驱动技术进一步降低血泵电机的驱动电压。发现双频驱动电压11伏的转速和单频驱动电压16伏的转速相同；探索研究利用新型单晶压电材料作为超声电机的振子，实验结果显示基于单晶压电材料的超声电机较一般压电材料的超声电机功率密度增加一倍。4)在基于血泵材料生物相容性设计方面，以聚四氢呋喃、异佛尔酮等，合成得到聚氨酯薄膜，并与医用钛合金、医用不锈钢、医用聚氨酯薄膜的血液相容性作了对比。实验结果表明，所有实验材料的溶血率均低于5%；对银掺杂的壳聚糖复合薄膜作血泵材料表面改性层进行了实验研究，发现：在纳米银银浓度小于等于0.05%且薄膜厚度小于等于20um条件下，纳米银壳聚糖溶血率低于5%；5）在基于血液循环生理参数辨识的血泵控制方法研究方面，利用参数估计器，在模型辨识的基础上设计了可以跟踪时变参数的生理控制器，利用数字仿真和模拟循环系统中获得验证；利用闭环磁通门技术实现血泵收缩和舒张开始位置等的检测，并在模拟循环系统上上实现血泵的反博控制。