科技部拨款2000万支持研发!ECMO国产化之路有多难?
来源: 思宇医械观察 作者: 2020年06月02日 11:16
自新冠疫情爆发后,ECMO就处于风口浪尖。ECMO作为新冠患者的“最后一根救命稻草”被大众报以很大的希望,同时坊间也流传着“ECMO一响,黄金万两”的传说。“为什么没有国产的ECMO?”的声音不绝于耳。近日,科技部发布了“公共安全风险防控与应急技术装备”重点专项2020年度项目申报指南,拨款2000万支持ECMO的研发。ECMO国产化时代即将来临了吗?
前言

自新冠疫情爆发后,ECMO就处于风口浪尖。ECMO作为新冠患者的“最后一根救命稻草”被大众报以很大的希望,同时坊间也流传着“ECMO一响,黄金万两”的传说。“为什么没有国产的ECMO?”的声音不绝于耳。近日,科技部发布了“公共安全风险防控与应急技术装备”重点专项2020年度项目申报指南,拨款2000万支持ECMO的研发。ECMO国产化时代即将来临了吗?

一、ECMO,“走”出手术室的体外生命支持系统

 

ECMO的全称是:Extra Corporeal Membrane Oxygenation,学名“体外膜肺氧合装置”,音译“叶克膜”。ECMO也被称为体外生命支持系统ECLS(Extra Corporeal Life Support)。ECMO的原理是将体内的静脉血引出体外,经过特殊材质人工心肺旁路氧合后注入病人动脉或静脉系统,起到部分心肺替代作用,维持人体脏器组织氧合血供。ECMO主要分为动脉-静脉VA-ECMO和静脉-静脉VV-ECMO。在这两种方式中,从静脉系统排出的血液都会在体外被氧化。在VA-ECMO中,该血液被返回到动脉系统,在VV-ECMO中,该血液被返回到静脉系统。在VV-ECMO中,没有提供心脏支持。

  

ECMO主要分为动脉-静脉VA-ECMO和静脉-静脉VV-ECMO

 

很多人都会误以为ECMO就是人工心肺机(heart-lung machcine),但实际上ECMO和人工心肺机存在很大的区别。人工心肺机又称体外循环装置(Extra Corporeal Circulation),主要用于心脏直视手术(Open-heart Surgery),替代人体心脏和肺的功能。而ECMO多数无需开胸手术,相对而言操作简便快速。ECMO区别于传统的体外循环有以下几点:ECMO是密闭性管路无体外循环过程中的储血瓶装置,体外循环则有储血瓶作为排气装置,是开放式管路;ECMO由于是由肝素涂层材质,并且是密闭系统管路无相对静止的血液,激活全血凝固时间(ACT)120-180s,体外循环则要求ACT大于等于480s;ECMO维持时间1-2周,有超过100天的报道,体外循环一般不超过8小时;体外循环需要开胸手术,需要时间长,要求条件高,很难实施。ECMO多数无需开胸手术,相对操作简便快速。可以简单理解为,ECMO是改良版的人工心肺机,人工心肺机主要用于手术室,而ECMO用于ICU。

       

常规体外循环与ECMO的区别

 

二、ECMO治疗新冠患者的原理


ECMO不是治愈新冠患者的手段,而是一项协助病人度过关键期的技术。也就是说,ECMO可以暂时替代新冠重症患者的心肺功能,进行体外循环。正常情况下,血液循环系统将氧气和营养物质输送给人体组织和器官,同时又将二氧化碳和废物从组织和器官中排出体外。这种物质的交换过程离不开血液在全身的循环,而血液循环的动力来自于心脏。人体的心脏相当于一个复式泵,右心房、右心室构成右泵,左心房和左心室构成左泵。回流至心脏的静脉血分别通过上腔静脉(来自头部和上肢的血液)和下腔静脉(来自于下肢的血液)进入右心房,经过三尖瓣进入右心室,随后通过肺动脉瓣进入肺动脉直至左右肺脏,完成气血交换,排出二氧化碳,纳入新鲜的氧气,从而将静脉血转换成含氧气的动脉血(氧合血)。再由肺静脉将氧合血输送至左心房,经过二尖瓣(左心房与左心室之间的单向瓣膜)进入左心室,最后经过主动脉瓣进入主动脉输送到所有的组织和器官,通过毛细血管对人体进行灌注循环,灌注完毕再通过静脉系统汇集于上、下腔静脉进入右心房。

       

人体心脏及其血液循环系统

 

而进行体外循环的时候,整个管道系统的静脉血被阻止进入右心房,各血管汇合的静脉血通过管路系统输送到体外的氧合器,经过充氧(氧合)处理后的血液由血泵通过主动脉的分支管送入动脉系统中,然后进入各毛细血管与组织细胞进行物质交换,而主动脉瓣则由于血液的压力作用形成闭合状态,因此进入左心室的血液就被阻断。此时,心脏的主动脉、腔静脉与体外循环装置、氧合器构成了一个封闭的循环回路,完成心脏与肺脏的功能。

 

三、ECMO的研发困境

 

ECMO的基本结构包括血管内插管、连接管、血液泵(离心泵)、氧合器、供氧管、监测系统。临床上常将可抛弃部分组成套包,不可抛弃部分绑定存放,并设计为可移动,提高应急能力。其中,最关键的部件就是血液泵(离心泵)和氧合器,分别起到人工心脏和人工肺的作用,可以对重症心肺功能衰竭患者进行较长时间的心肺支持,为抢救赢得宝贵的时间。

       

ECMO基本结构


血泵是体外循环的动力部分,按照结构可以分为指压式泵、往复式泵、滚柱式泵和离心泵,目前ECMO普遍采用的是离心泵。离心泵泵头的磁性后室与带有磁性装置的驱动马达相互磁性连接,当驱动马达高速旋转时,带动泵内结构高速旋转,产生涡流和离心力,推动血液前进。离心泵的泵头属于耗材,价格高昂,国内对于离心泵的研发也大多停留在样机阶段。而且,离心泵属于三类医疗器械,是管控最为严格的医疗器械,需要经过大量临床试验才能获批上市,但由于病例较少,所以临床试验的时间会持续较长,从而导致注册时间较长。

      

上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心自主研发的国产离心泵

 

2019年,上海交通大学医学院附属儿童医学中心宣布利用3D打印、计算机模拟等先进技术,结合单支点支撑、磁力悬浮等传统优势,并借鉴国外先进设计理念,克服动力、磁力耦合、电机温升、材料选用等诸多困难,成功设计出自主知识产权的机电磁一体化的离心泵。这也是目前为止国内首个成套的心脏术中和危重疾病机械辅助均可适用的离心泵设备。此外,山东大学电气工程学院山东省磁悬浮轴承工程技术研究中心,从2008年开始研究磁悬浮人工心脏泵,成功突破技术瓶颈,研发出具有自主知识产权的磁悬浮人工心脏泵。其团队研发的ECMO样机,已经申请发明专利3项,授权2项,实质审查中1项。此外,4台血泵同时连续运行15天无故障,还进行代血液(稀释甘油)实验和血液实验,各项性能均到达国际先进水平,且泵头可与进口设备兼容,从性能上完全可以替代进口设备。

       

山东大学研发的ECMO样机

 

氧合器是将静脉血中的二氧化碳排除,使氧分压升高而成为动脉血的一种人工装置。由于其模仿人体肺的换气功能,临床上常用于心脏外科手术,在心肺循环阻断后暂时替代人体肺的功能。目前ECMO中采用的膜式氧合器是最接近人体生理状况的一种氧合器。膜式氧合器的气体交换是通过一层可透气的高分子膜进行的,其特点是气血不直接接触。这要求材料既拥有很好的透气性能,又能实现长效疏水,以满足临床中持续运行数周甚至数月的要求。PMP(聚 4-甲基 1-戊烯)是一种性能优异的聚烯烃材料,具有良好的氧气通量和氮氧选择性,低溶出及生物安全性等特性,被公认为"膜肺氧合器"的最优介质。目前,PMP只有 3M 公司旗下的 Membrana公司能独家供应,因其产能紧张导致下游 ECMO 企业产能受限,且因其供应垄断、价格垄断,导致价格居高不下。

 

四、体外循环师培养机制欠缺

 

一个完整的ECMO团队需要心胸外科、体外循环师、血管外科、介入科、麻醉科、呼吸科、ICU、超声科、血液科等多个学科的配合。ECMO患者的管理涉及全身各个器官系统,只有那些在呼吸、循环、血液、营养等各个领域均有丰富的经验的专业人员,才能对ECMO患者进行全面、科学的管理,降低治疗风险。体外循环师被称作“击退死神的无冕之王”,没有他们,ECMO也没有用武之地。

       

体外循环师

 

根据中国生物医学工程学会体外循环学会发布的《中国心外科手术和体外循环数据白皮书》里的数据,2017年全国708家医院共开展心血管手术总量为230772例,体外循环下手术总量164201例(占比71.2%)。2018年全国693家医院共完成心血管手术总量为240614例,体外循环下手术总量170444例(占比70.85%)。但据相关统计,目前我国体外循环师不超过400人,大多数体外循环师的教育背景差异较大,既有完成心血管外科学、麻醉学培训的医生,也有管理操作的技术员,还有护理专业的护士。我国尚无完善的体外循环师培养机制,体外循环师是一个甚至不被同行了解的职业,多数是在工作后,医院根据需要进行培训,领取执照后上岗。在台湾,具备开展 ECMO 能力的体外循环师首先需要取得体外循环师执照满两年,随后还要成为台湾体外循环技术学会为期两年的会员,最后需要经过临床 CPB(体外循环)实务 2 年时间教育,通过考试才能取得 ECMO 合格证书,并且每 6 年换照一次,必须完成在职教育150个学分。

 

结语


路漫漫其修远兮,虽然目前还存在种种问题,但相信总有一天ECMO会实现国产化。此外,对体外循环师的培养也不容忽视。希望未来我国的危重症急救水平越来越高。

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