优化注塑成形医用过滤装置的性能以及解决方案

血液净化处理对静脉输液、透析、输血和灌注等设备应用而言至关重要。本文探讨如何提高血液流过滤介质的效率和增大流量。本文以体外循环使用的动脉血液过滤器为例，解说注塑成型医疗设备的潜力。

动脉血液过滤器

在将经过净化、充氧，和恒温的血液最终灌注到病人体内之前，动脉血液过滤器被用作为最后一道安全过滤器。动脉过滤器安全地滤掉气泡和血栓微粒。ISO 15675《心血管植入物和人工器官、体外循环系统、动脉血液过滤器》中有规定，过滤效率应大于40微米。ISO 15675第4.3.2节－过滤效率，其中规定：经测试后，若过滤效率在40~100微米范围内，则意味着过滤器能够平均过滤掉（尺寸为40~100微米）这一范围内的大部分(至少80％)的颗粒。要达到这种性能，取决于过滤器的压降、流量、灌注量和血液所接触的异物表面积大小。这些参数主要受到过滤器所使用的过滤网布及其设计的影响。准确地选择过滤材料和过滤器设计有助于减少溶血、凝血和炎症和控制氧气供应以及灌注过程中的pH值。

当前动脉过滤所用涤纶织物的网孔通常为40微米，开孔面积（open area）约占25％。开孔面积是指过滤网布（filter fabric）未被编织细丝所阻塞的面积，用占总过滤网布面积的比例来计算。显然，血液只能通过过滤器网布的开孔面积，而过滤网布阻拦血液流过的（异物）表面则是导致上述溶血、凝血和炎症等负面效果的元凶。

改进动脉过滤器参数的基本方案是增大过滤网布的开孔面积。并且与此同时，不能降低其过滤效率。这就是为什么过滤网布需要精确且狭窄地分布40微米的网孔。扩大网孔可以增大过滤网布的开孔面积，但这不是一个可行的解决办法，因为这样会使过滤效率降低。如图1中所示，两块相同的40微米过滤网布，其开孔面积分别为25％和40％，不同的用法可将开孔面积增大60%。

图1：左边，40微米过滤网布的开孔面积为40％；使用同样的过滤网布，右边过滤网布的开孔面积为25％。从而将开孔面积增加了60％。

另一个优化过滤网布的根本原因是为了优化过滤网布表面积尺寸。每根过滤网布纱线的异物面积等于其长度乘以πd。与过滤器的外壳和管形材料相比，二维过滤网布有大量纱线（?120 cm-1）导致存在较大异物面积。

此外，因为人类血液通过过滤网布的流速慢，因此，滞留和接触（过滤网布）的时间很长。血液以6升/分钟的流量流经内径为9毫米的管子，其流速大于1米/秒。由于过滤器的表面积要大两到三个数量级，因而当血液通过过滤器时速度会降低，停留时间也相应地增长。

对过滤器效率的基本要求

对动脉过滤器的一个最基本的要求是—必须安全地从正在循环的血液中清除微粒和气泡，从而确保患者安全。这些微粒可能源自骨头碎片、空气或脂肪栓、血栓或药物安瓿（装一次用量的针剂) 的玻璃碎片。它们能够导致血管闭塞及器官功能衰竭。出于这个原因，ISO 15675规定，大小超过40微米的微粒的过滤效率要大于80%。用于动脉过滤器的过滤网布（不管其开孔面积有多大）都必须达到这个要求。图2中所示为开孔面积分别占25％和40％的过滤网布对40微米及以上微粒的典型过滤效率。这两块过滤网布对大小超过40微米的任何颗粒的过滤效率都大于80%。

图2：开孔面积分别为25%和40%的两块40微米过滤网布的过滤效率（根据ISO 15675定义）。

有关动脉管路血液过滤器和通用医疗器械的更多要求，美国药典（USP）医疗器械指令93/42/EEC、美国联邦法规（CFR）和 ISO 10993医疗设备生物评估做了详细说明。用作过滤网布细丝的聚合物必须符合21 CFR的第177节，间接食品添加剂、聚合物的规定。过滤网布本身必须满足美国药典（USP） VI级和ISO 10993规定的生物兼容性要求，以及涉及低析出物、低热原和低溶血等级的相关要求。

性能和压降

要打造一款有效且安全的动脉（血液）过滤器，需要采用开孔面积较大的过滤网布。图3对三款40微米网布的液体渗透性进行了比较。它们的开孔面积分别为25％，35％和40％。考虑到只有开孔面积和液体流动有关（不会被网布纱线阻塞），预测它们的流量比为1：1.4：1.6。观察结果表明，相比目前使用的标准过滤网布，这些网布的性能有提升，并且完全符合理论预测，分别为40％和60％。

与此同时，过滤器的压降与血液成分（如，红细胞）之间的高切力有关，并且这会导致溶血。通过交换X和Y轴，依据流量的实验数据，可以计算出过滤网布上的压降。在6升/分钟的流量下，与开孔面积为25％的过滤网布相比，开孔面积为35％和40％的过滤网布的压降会分别降低29%和37%。

图3：开孔面积分别为40％（直线）、35％（虚线）和25％（破虚线）的40微米过滤网布的液体渗透性进行对比。

降低灌注量

为了避免产生气泡，在将心肺机连接到病人身上之前，必须对心肺机的所有组成部分启用特定的灌注解决方案。随之而来的血液稀释会增加溶血的风险，溶血是由于红血细胞变形减慢引起的。此外，病人的氧气供应被减少。若降低灌注量能减少这些不良影响。

过滤网布为注塑成型设备设计师提供了两次缩小动脉过滤器尺寸的机会。通过选择开孔面积大的过滤网布，可以缩小过滤网布的面积。因为这样只是缩小了过滤器网布的总面积，而过滤器的开孔面积并没有因此减少（图4），因此不会影响到流量和压力。这样设计人员就可以设计出尺寸更小的设备 。

此外，动脉过滤器的过滤网布通常是折叠的，以便让尺寸更小的过滤器具有更大的过滤面积。通过在每次循环步骤中采用不同半径的褶裥，相比标准褶裥模式可以在单位体积内实现更多褶裥。通过保持过滤表面之间的自由空间，过滤器单元的体积大大缩小。选择开孔面积大的过滤网布并采用更灵巧的折叠方案，从而可大大减少灌注量和体外血液量。

异物表面积

当人体血液与异物表面接触时，会启动凝血功能和开始形成血栓。此外，还会启动非特异性免疫反应。这两个不利影响必须在体外循环期间加以控制。与不织布、薄膜和多丝网布相比，精确编织的单丝网布本身具有较小的异物表面积，所以它们适用于对异物表面积这一参数要求很高的过滤应用。此外，通过用开孔面积更大的过滤网布取代标准网布，可以将异物表面积减少30％以上。

图4：将开孔面积为40％（左）和25％（右）的40微米过滤网布的面积缩小37％，并不会影响过滤网布的开孔面积。

也可以通过提高过滤网布的血液兼容性来降低血液与过滤器异物表面接触所产生的不良影响。通常是通过用肝素、磷酸胆碱或刷状聚氧乙烯醚来浸镀整个设备来实现这个目标。然而，此过程可能会导致镀层表面出现不均匀的现像。通过采用这种方式形成的镀层也可能会在（过滤网布）纤维之间形成 “窗户”，从而会将过滤器的某些部分封闭起来。此外，镀层和烘干这两个额外的生产步骤会拉长高整体交付周期和提高生产成本。

在过滤网基材完成和转换和封口之前，用类似的物质完成对过滤网布的镀层，这样更容易控制和形成完美的均匀表面，并且无需额外的生产步骤。

通过这种方式，可以推出具有生物吸附、低湿式摩擦和防止血栓形成功能的低成本和均匀表面的完美镀层。

商业优势

采用开孔面积较大的过滤网布有助于设计人员设计出尺寸更小和性能更佳的动脉血液过滤器。功能性改进将带来诸多商业上的优势，能显着降低整体耗材、缩短生产交付时间以及降低包装和运输成本。此外，不要求对其它组件做变更，假定使用的基本聚合物保持不变，那么可以将有效成本保持在最低水平。

面向所有过滤器的设计可选参数

一款理想的动脉过滤器设计方案意味着要在过滤效率和流率之间做取舍。解决这一矛盾的关键在于开孔面积的大小和过滤网布的设计。本文介绍了优化动脉过滤器设计和带来商业优势的多种可能方法，这对所有医用过滤设备的设计都具有价值。采用开孔面积的过滤介质，可实现性能更高和尺寸更小的过滤设备。

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