優(yōu)化注塑成形醫(yī)用過濾裝置的性能以及解決方案

血液凈化處理對(duì)靜脈輸液、透析、輸血和灌注等設(shè)備應(yīng)用而言至關(guān)重要。本文探討如何提高血液流過濾介質(zhì)的效率和增大流量。本文以體外循環(huán)使用的動(dòng)脈血液過濾器為例，解說注塑成型醫(yī)療設(shè)備的潛力。

動(dòng)脈血液過濾器

在將經(jīng)過凈化、充氧，和恒溫的血液最終灌注到病人體內(nèi)之前，動(dòng)脈血液過濾器被用作為最后一道安全過濾器。動(dòng)脈過濾器安全地濾掉氣泡和血栓微粒。ISO 15675《心血管植入物和人工器官、體外循環(huán)系統(tǒng)、動(dòng)脈血液過濾器》中有規(guī)定，過濾效率應(yīng)大于40微米。ISO 15675第4.3.2節(jié)－過濾效率，其中規(guī)定：經(jīng)測(cè)試后，若過濾效率在40~100微米范圍內(nèi)，則意味著過濾器能夠平均過濾掉（尺寸為40~100微米）這一范圍內(nèi)的大部分(至少80％)的顆粒。要達(dá)到這種性能，取決于過濾器的壓降、流量、灌注量和血液所接觸的異物表面積大小。這些參數(shù)主要受到過濾器所使用的過濾網(wǎng)布及其設(shè)計(jì)的影響。準(zhǔn)確地選擇過濾材料和過濾器設(shè)計(jì)有助于減少溶血、凝血和炎癥和控制氧氣供應(yīng)以及灌注過程中的pH值。

當(dāng)前動(dòng)脈過濾所用滌綸織物的網(wǎng)孔通常為40微米，開孔面積（open area）約占25％。開孔面積是指過濾網(wǎng)布（filter fabric）未被編織細(xì)絲所阻塞的面積，用占總過濾網(wǎng)布面積的比例來計(jì)算。顯然，血液只能通過過濾器網(wǎng)布的開孔面積，而過濾網(wǎng)布阻攔血液流過的（異物）表面則是導(dǎo)致上述溶血、凝血和炎癥等負(fù)面效果的元兇。

改進(jìn)動(dòng)脈過濾器參數(shù)的基本方案是增大過濾網(wǎng)布的開孔面積。并且與此同時(shí)，不能降低其過濾效率。這就是為什么過濾網(wǎng)布需要精確且狹窄地分布40微米的網(wǎng)孔。擴(kuò)大網(wǎng)孔可以增大過濾網(wǎng)布的開孔面積，但這不是一個(gè)可行的解決辦法，因?yàn)檫@樣會(huì)使過濾效率降低。如圖1中所示，兩塊相同的40微米過濾網(wǎng)布，其開孔面積分別為25％和40％，不同的用法可將開孔面積增大60%。

圖1：左邊，40微米過濾網(wǎng)布的開孔面積為40％；使用同樣的過濾網(wǎng)布，右邊過濾網(wǎng)布的開孔面積為25％。從而將開孔面積增加了60％。

另一個(gè)優(yōu)化過濾網(wǎng)布的根本原因是為了優(yōu)化過濾網(wǎng)布表面積尺寸。每根過濾網(wǎng)布紗線的異物面積等于其長度乘以πd。與過濾器的外殼和管形材料相比，二維過濾網(wǎng)布有大量紗線（?120 cm-1）導(dǎo)致存在較大異物面積。

此外，因?yàn)槿祟愌和ㄟ^過濾網(wǎng)布的流速慢，因此，滯留和接觸（過濾網(wǎng)布）的時(shí)間很長。血液以6升/分鐘的流量流經(jīng)內(nèi)徑為9毫米的管子，其流速大于1米/秒。由于過濾器的表面積要大兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，因而當(dāng)血液通過過濾器時(shí)速度會(huì)降低，停留時(shí)間也相應(yīng)地增長。

對(duì)過濾器效率的基本要求

對(duì)動(dòng)脈過濾器的一個(gè)最基本的要求是—必須安全地從正在循環(huán)的血液中清除微粒和氣泡，從而確保患者安全。這些微粒可能源自骨頭碎片、空氣或脂肪栓、血栓或藥物安瓿（裝一次用量的針劑) 的玻璃碎片。它們能夠?qū)е卵荛]塞及器官功能衰竭。出于這個(gè)原因，ISO 15675規(guī)定，大小超過40微米的微粒的過濾效率要大于80%。用于動(dòng)脈過濾器的過濾網(wǎng)布（不管其開孔面積有多大）都必須達(dá)到這個(gè)要求。圖2中所示為開孔面積分別占25％和40％的過濾網(wǎng)布對(duì)40微米及以上微粒的典型過濾效率。這兩塊過濾網(wǎng)布對(duì)大小超過40微米的任何顆粒的過濾效率都大于80%。

圖2：開孔面積分別為25%和40%的兩塊40微米過濾網(wǎng)布的過濾效率（根據(jù)ISO 15675定義）。

有關(guān)動(dòng)脈管路血液過濾器和通用醫(yī)療器械的更多要求，美國藥典（USP）醫(yī)療器械指令93/42/EEC、美國聯(lián)邦法規(guī)（CFR）和 ISO 10993醫(yī)療設(shè)備生物評(píng)估做了詳細(xì)說明。用作過濾網(wǎng)布細(xì)絲的聚合物必須符合21 CFR的第177節(jié)，間接食品添加劑、聚合物的規(guī)定。過濾網(wǎng)布本身必須滿足美國藥典（USP） VI級(jí)和ISO 10993規(guī)定的生物兼容性要求，以及涉及低析出物、低熱原和低溶血等級(jí)的相關(guān)要求。

性能和壓降

要打造一款有效且安全的動(dòng)脈（血液）過濾器，需要采用開孔面積較大的過濾網(wǎng)布。圖3對(duì)三款40微米網(wǎng)布的液體滲透性進(jìn)行了比較。它們的開孔面積分別為25％，35％和40％?？紤]到只有開孔面積和液體流動(dòng)有關(guān)（不會(huì)被網(wǎng)布紗線阻塞），預(yù)測(cè)它們的流量比為1：1.4：1.6。觀察結(jié)果表明，相比目前使用的標(biāo)準(zhǔn)過濾網(wǎng)布，這些網(wǎng)布的性能有提升，并且完全符合理論預(yù)測(cè)，分別為40％和60％。

與此同時(shí)，過濾器的壓降與血液成分（如，紅細(xì)胞）之間的高切力有關(guān)，并且這會(huì)導(dǎo)致溶血。通過交換X和Y軸，依據(jù)流量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出過濾網(wǎng)布上的壓降。在6升/分鐘的流量下，與開孔面積為25％的過濾網(wǎng)布相比，開孔面積為35％和40％的過濾網(wǎng)布的壓降會(huì)分別降低29%和37%。

圖3：開孔面積分別為40％（直線）、35％（虛線）和25％（破虛線）的40微米過濾網(wǎng)布的液體滲透性進(jìn)行對(duì)比。

降低灌注量

為了避免產(chǎn)生氣泡，在將心肺機(jī)連接到病人身上之前，必須對(duì)心肺機(jī)的所有組成部分啟用特定的灌注解決方案。隨之而來的血液稀釋會(huì)增加溶血的風(fēng)險(xiǎn)，溶血是由于紅血細(xì)胞變形減慢引起的。此外，病人的氧氣供應(yīng)被減少。若降低灌注量能減少這些不良影響。

過濾網(wǎng)布為注塑成型設(shè)備設(shè)計(jì)師提供了兩次縮小動(dòng)脈過濾器尺寸的機(jī)會(huì)。通過選擇開孔面積大的過濾網(wǎng)布，可以縮小過濾網(wǎng)布的面積。因?yàn)檫@樣只是縮小了過濾器網(wǎng)布的總面積，而過濾器的開孔面積并沒有因此減少（圖4），因此不會(huì)影響到流量和壓力。這樣設(shè)計(jì)人員就可以設(shè)計(jì)出尺寸更小的設(shè)備 。

此外，動(dòng)脈過濾器的過濾網(wǎng)布通常是折疊的，以便讓尺寸更小的過濾器具有更大的過濾面積。通過在每次循環(huán)步驟中采用不同半徑的褶裥，相比標(biāo)準(zhǔn)褶裥模式可以在單位體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多褶裥。通過保持過濾表面之間的自由空間，過濾器單元的體積大大縮小。選擇開孔面積大的過濾網(wǎng)布并采用更靈巧的折疊方案，從而可大大減少灌注量和體外血液量。

異物表面積

當(dāng)人體血液與異物表面接觸時(shí)，會(huì)啟動(dòng)凝血功能和開始形成血栓。此外，還會(huì)啟動(dòng)非特異性免疫反應(yīng)。這兩個(gè)不利影響必須在體外循環(huán)期間加以控制。與不織布、薄膜和多絲網(wǎng)布相比，精確編織的單絲網(wǎng)布本身具有較小的異物表面積，所以它們適用于對(duì)異物表面積這一參數(shù)要求很高的過濾應(yīng)用。此外，通過用開孔面積更大的過濾網(wǎng)布取代標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)布，可以將異物表面積減少30％以上。

圖4：將開孔面積為40％（左）和25％（右）的40微米過濾網(wǎng)布的面積縮小37％，并不會(huì)影響過濾網(wǎng)布的開孔面積。

也可以通過提高過濾網(wǎng)布的血液兼容性來降低血液與過濾器異物表面接觸所產(chǎn)生的不良影響。通常是通過用肝素、磷酸膽堿或刷狀聚氧乙烯醚來浸鍍整個(gè)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。然而，此過程可能會(huì)導(dǎo)致鍍層表面出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)像。通過采用這種方式形成的鍍層也可能會(huì)在（過濾網(wǎng)布）纖維之間形成 “窗戶”，從而會(huì)將過濾器的某些部分封閉起來。此外，鍍層和烘干這兩個(gè)額外的生產(chǎn)步驟會(huì)拉長高整體交付周期和提高生產(chǎn)成本。

在過濾網(wǎng)基材完成和轉(zhuǎn)換和封口之前，用類似的物質(zhì)完成對(duì)過濾網(wǎng)布的鍍層，這樣更容易控制和形成完美的均勻表面，并且無需額外的生產(chǎn)步驟。

通過這種方式，可以推出具有生物吸附、低濕式摩擦和防止血栓形成功能的低成本和均勻表面的完美鍍層。

商業(yè)優(yōu)勢(shì)

采用開孔面積較大的過濾網(wǎng)布有助于設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出尺寸更小和性能更佳的動(dòng)脈血液過濾器。功能性改進(jìn)將帶來諸多商業(yè)上的優(yōu)勢(shì)，能顯著降低整體耗材、縮短生產(chǎn)交付時(shí)間以及降低包裝和運(yùn)輸成本。此外，不要求對(duì)其它組件做變更，假定使用的基本聚合物保持不變，那么可以將有效成本保持在最低水平。

面向所有過濾器的設(shè)計(jì)可選參數(shù)

一款理想的動(dòng)脈過濾器設(shè)計(jì)方案意味著要在過濾效率和流率之間做取舍。解決這一矛盾的關(guān)鍵在于開孔面積的大小和過濾網(wǎng)布的設(shè)計(jì)。本文介紹了優(yōu)化動(dòng)脈過濾器設(shè)計(jì)和帶來商業(yè)優(yōu)勢(shì)的多種可能方法，這對(duì)所有醫(yī)用過濾設(shè)備的設(shè)計(jì)都具有價(jià)值。采用開孔面積的過濾介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)性能更高和尺寸更小的過濾設(shè)備。

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