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重要。本文探討如何提高血液流過濾介質的效率和增大流量。本文以體外循環(huán)使用的動脈血液過濾器為例，解說注塑成型醫(yī)療設備的潛力。

動脈血液過濾器

在將經過凈化、充氧，和恒溫的血液最終灌注到病人體內之前，動脈血液過濾器被用作為最后一道安全過濾器。動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、動脈血液過濾器》中有規(guī)定，過濾效率應大于40微米。ISO 15675第4.3.2節(jié)－過濾效率，其中規(guī)定：經測試后，若過濾效率在40~100微米范圍內，則意味著過濾器能夠平均過濾掉（尺寸為40~100微米）這一范圍內的大部分(至少80％)的顆粒。要達到這種性能，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。這些參數主要受到過濾器所使用的過濾網布及其設計的影響。準確地選擇過濾材料和過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程中的pH值。

當前動脈過濾所用滌綸織物的網孔通常為40微米，開孔面積（open area）約占25％。開孔面積是指過濾網布（filter fabric）未被編織細絲所阻塞的面積，用占總過濾網布面積的比例來計算。顯然，血液只能通過過濾器網布的開孔面積，而過濾網布阻攔血液流過的（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。

改進動脈過濾器參數的基本方案是增大過濾網布的開孔面積。并且與此同時，不能降低其過濾效率。這就是為什么過濾網布需要精確且狹窄地分布40微米的網孔。擴大網孔可以增大過濾網布的開孔面積，但這不是一個可行的解決辦法，因為這樣會使過濾效率降低。如圖1中所示，兩塊相同的40微米過濾網布，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微米過濾網布的開孔面積為40％；使用同樣的過濾網布，右邊過濾網布的開孔面積為25％。從而將開孔面積增加了60％。

另一個優(yōu)化過濾網布的根本原因是為了優(yōu)化過濾網布表面積尺寸。每根過濾網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，二維過濾網布有大量紗線（?120 cm-1）導致存在較大異物面積。

此外，因為人類血液通過過濾網布的流速慢，因此，滯留和接觸（過濾網布）的時間很長。血液以6升/分鐘的流量流經內徑為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數量級，因而當血液通過過濾器時速度會降低，停留時間也相應地增長。

對過濾器效率的基本要求

對動脈過濾器的一個最基本的要求是—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%。用于動脈過濾器的過濾網布（不管其開孔面積有多大）都必須達到這個要求。圖2中所示為開孔面積分別占25％和40％的過濾網布對40微米及以上微粒的典型過濾效率。這兩塊過濾網布對大小超過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微米過濾網布的過濾效率（根據ISO 15675定義）。

有關動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、美國聯邦法規(guī)（CFR）和 ISO 10993醫(yī)療設備生物評估做了詳細說明。用作過濾網布細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。過濾網布本身必須滿足美國藥典（USP） VI級和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的相關要求。

性能和壓降

要打造一款有效且安全的動脈（血液）過濾器，需要采用開孔面積較大的過濾網布。圖3對三款40微米網布的液體滲透性進行了比較。它們的開孔面積分別為25％，35％和40％。考慮到只有開孔面積和液體流動有關（不會被網布紗線阻塞），預測它們的流量比為1：1.4：1.6。觀察結果表明，相比目前使用的標準過濾網布，這些網布的性能有提升，并且完全符合理論預測，分別為40％和60％。

與此同時，過濾器的壓降與血液成分（如，紅細胞）之間的高切力有關，并且這會導致溶血。通過交換X和Y軸，依據流量的實驗數據，可以計算出過濾網布上的壓降。在6升/分鐘的流量下，與開孔面積為25％的過濾網布相比，開孔面積為35％和40％的過濾網布的壓降會分別降低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微米過濾網布的液體滲透性進行對比。

降低灌注量

為了避免產生氣泡，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。隨之而來的血液稀釋會增加溶血的風險，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。

過濾網布為注塑成型設備設計師提供了兩次縮小動脈過濾器尺寸的機會。通過選擇開孔面積大的過濾網布，可以縮小過濾網布的面積。因為這樣只是縮小了過濾器網布的總面積，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，動脈過濾器的過濾網布通常是折疊的，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，相比標準褶裥模式可以在單位體積內實現更多褶裥。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，會啟動凝血功能和開始形成血栓。此外，還會啟動非特異性免疫反應。這兩個不利影響必須在體外循環(huán)期間加以控制。與不織布、薄膜和多絲網布相比，精確編織的單絲網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濾應用。此外，通過用開孔面積更大的過濾網布取代標準網布，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微米過濾網布的面積縮小37％，并不會影響過濾網布的開孔面積。

也可以通過提高過濾網布的血液兼容性來降低血液與過濾器異物表面接觸所產生的不良影響。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設備來實現這個目標。然而，此過程可能會導致鍍層表面出現不均勻的現像。通過采用這種方式形成的鍍層也可能會在（過濾網布）纖維之間形成 “窗戶”，從而會將過濾器的某些部分封閉起來。此外，鍍層和烘干這兩個額外的生產步驟會拉長高整體交付周期和提高生產成本。

在過濾網基材完成和轉換和封口之前，用類似的物質完成對過濾網布的鍍層，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

采用開孔面積較大的過濾網布有助于設計人員設計出尺寸更小和性能更佳的動脈血液過濾器。功能性改進將帶來諸多商業(yè)上的優(yōu)勢，能顯著降低整體耗材、縮短生產交付時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。

面向所有過濾器的設計可選參數

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

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