優(yōu)化注塑成形醫用過(guò)濾裝置的性能以及解決方案

血液凈化處理對靜脈輸液、透析、輸血和灌注等設備應用而言至關(guān)重要。本文探討如何提高血液流過(guò)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(guò)濾器為例，解說(shuō)注塑成型醫療設備的潛力。

動(dòng)脈血液過(guò)濾器

在將經(jīng)過(guò)凈化、充氧，和恒溫的血液最終灌注到病人體內之前，動(dòng)脈血液過(guò)濾器被用作為最后一道安全過(guò)濾器。動(dòng)脈過(guò)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、動(dòng)脈血液過(guò)濾器》中有規定，過(guò)濾效率應大于40微米。ISO 15675第4.3.2節－過(guò)濾效率，其中規定：經(jīng)測試后，若過(guò)濾效率在40~100微米范圍內，則意味著(zhù)過(guò)濾器能夠平均過(guò)濾掉（尺寸為40~100微米）這一范圍內的大部分(至少80％)的顆粒。要達到這種性能，取決于過(guò)濾器的壓降、流量、灌注量和血液所接觸的異物表面積大小。這些參數主要受到過(guò)濾器所使用的過(guò)濾網(wǎng)布及其設計的影響。準確地選擇過(guò)濾材料和過(guò)濾器設計有助于減少溶血、凝血和炎癥和控制氧氣供應以及灌注過(guò)程中的pH值。

當前動(dòng)脈過(guò)濾所用滌綸織物的網(wǎng)孔通常為40微米，開(kāi)孔面積（open area）約占25％。開(kāi)孔面積是指過(guò)濾網(wǎng)布（filter fabric）未被編織細絲所阻塞的面積，用占總過(guò)濾網(wǎng)布面積的比例來(lái)計算。顯然，血液只能通過(guò)過(guò)濾器網(wǎng)布的開(kāi)孔面積，而過(guò)濾網(wǎng)布阻攔血液流過(guò)的（異物）表面則是導致上述溶血、凝血和炎癥等負面效果的元兇。

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

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

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

此外，因為人類(lèi)血液通過(guò)過(guò)濾網(wǎng)布的流速慢，因此，滯留和接觸（過(guò)濾網(wǎng)布）的時(shí)間很長(cháng)。血液以6升/分鐘的流量流經(jīng)內徑為9毫米的管子，其流速大于1米/秒。由于過(guò)濾器的表面積要大兩到三個(gè)數量級，因而當血液通過(guò)過(guò)濾器時(shí)速度會(huì )降低，停留時(shí)間也相應地增長(cháng)。

對過(guò)濾器效率的基本要求

對動(dòng)脈過(guò)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?；颊甙踩?。這些微?？赡茉醋怨穷^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。它們能夠導致血管閉塞及器官功能衰竭。出于這個(gè)原因，ISO 15675規定，大小超過(guò)40微米的微粒的過(guò)濾效率要大于80%。用于動(dòng)脈過(guò)濾器的過(guò)濾網(wǎng)布（不管其開(kāi)孔面積有多大）都必須達到這個(gè)要求。圖2中所示為開(kāi)孔面積分別占25％和40％的過(guò)濾網(wǎng)布對40微米及以上微粒的典型過(guò)濾效率。這兩塊過(guò)濾網(wǎng)布對大小超過(guò)40微米的任何顆粒的過(guò)濾效率都大于80%。

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

有關(guān)動(dòng)脈管路血液過(guò)濾器和通用醫療器械的更多要求，美國藥典（USP）醫療器械指令93/42/EEC、美國聯(lián)邦法規（CFR）和 ISO 10993醫療設備生物評估做了詳細說(shuō)明。用作過(guò)濾網(wǎng)布細絲的聚合物必須符合21 CFR的第177節，間接食品添加劑、聚合物的規定。過(guò)濾網(wǎng)布本身必須滿(mǎn)足美國藥典（USP） VI級和ISO 10993規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(guò)濾器，需要采用開(kāi)孔面積較大的過(guò)濾網(wǎng)布。圖3對三款40微米網(wǎng)布的液體滲透性進(jìn)行了比較。它們的開(kāi)孔面積分別為25％，35％和40％?？紤]到只有開(kāi)孔面積和液體流動(dòng)有關(guān)（不會(huì )被網(wǎng)布紗線(xiàn)阻塞），預測它們的流量比為1：1.4：1.6。觀(guān)察結果表明，相比目前使用的標準過(guò)濾網(wǎng)布，這些網(wǎng)布的性能有提升，并且完全符合理論預測，分別為40％和60％。

與此同時(shí)，過(guò)濾器的壓降與血液成分（如，紅細胞）之間的高切力有關(guān)，并且這會(huì )導致溶血。通過(guò)交換X和Y軸，依據流量的實(shí)驗數據，可以計算出過(guò)濾網(wǎng)布上的壓降。在6升/分鐘的流量下，與開(kāi)孔面積為25％的過(guò)濾網(wǎng)布相比，開(kāi)孔面積為35％和40％的過(guò)濾網(wǎng)布的壓降會(huì )分別降低29%和37%。

圖3：開(kāi)孔面積分別為40％（直線(xiàn)）、35％（虛線(xiàn)）和25％（破虛線(xiàn)）的40微米過(guò)濾網(wǎng)布的液體滲透性進(jìn)行對比。

降低灌注量

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

過(guò)濾網(wǎng)布為注塑成型設備設計師提供了兩次縮小動(dòng)脈過(guò)濾器尺寸的機會(huì )。通過(guò)選擇開(kāi)孔面積大的過(guò)濾網(wǎng)布，可以縮小過(guò)濾網(wǎng)布的面積。因為這樣只是縮小了過(guò)濾器網(wǎng)布的總面積，而過(guò)濾器的開(kāi)孔面積并沒(méi)有因此減少（圖4），因此不會(huì )影響到流量和壓力。這樣設計人員就可以設計出尺寸更小的設備 。

此外，動(dòng)脈過(guò)濾器的過(guò)濾網(wǎng)布通常是折疊的，以便讓尺寸更小的過(guò)濾器具有更大的過(guò)濾面積。通過(guò)在每次循環(huán)步驟中采用不同半徑的褶裥，相比標準褶裥模式可以在單位體積內實(shí)現更多褶裥。通過(guò)保持過(guò)濾表面之間的自由空間，過(guò)濾器單元的體積大大縮小。選擇開(kāi)孔面積大的過(guò)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

當人體血液與異物表面接觸時(shí)，會(huì )啟動(dòng)凝血功能和開(kāi)始形成血栓。此外，還會(huì )啟動(dòng)非特異性免疫反應。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，所以它們適用于對異物表面積這一參數要求很高的過(guò)濾應用。此外，通過(guò)用開(kāi)孔面積更大的過(guò)濾網(wǎng)布取代標準網(wǎng)布，可以將異物表面積減少30％以上。

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

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

在過(guò)濾網(wǎng)基材完成和轉換和封口之前，用類(lèi)似的物質(zhì)完成對過(guò)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(wú)需額外的生產(chǎn)步驟。

通過(guò)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

采用開(kāi)孔面積較大的過(guò)濾網(wǎng)布有助于設計人員設計出尺寸更小和性能更佳的動(dòng)脈血液過(guò)濾器。功能性改進(jìn)將帶來(lái)諸多商業(yè)上的優(yōu)勢，能顯著(zhù)降低整體耗材、縮短生產(chǎn)交付時(shí)間以及降低包裝和運輸成本。此外，不要求對其它組件做變更，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(guò)濾器的設計可選參數

一款理想的動(dòng)脈過(guò)濾器設計方案意味著(zhù)要在過(guò)濾效率和流率之間做取舍。解決這一矛盾的關(guān)鍵在于開(kāi)孔面積的大小和過(guò)濾網(wǎng)布的設計。本文介紹了優(yōu)化動(dòng)脈過(guò)濾器設計和帶來(lái)商業(yè)優(yōu)勢的多種可能方法，這對所有醫用過(guò)濾設備的設計都具有價(jià)值。采用開(kāi)孔面積的過(guò)濾介質(zhì)，可實(shí)現性能更高和尺寸更小的過(guò)濾設備。

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