中国首个国产第三代人工辅助心脏由航天18所研制并取得重大突破
2013年4月消息，我国第三代心室辅助装置——磁液双悬浮离心式血泵（又称“人工辅助心脏”）植入实验羊天久2号、3号和4号，身着“唐装”的实验羊在天津泰达国际心血管病医院亮相。
谁也想不到眼前这只背着“书包”、踱着小碎步觅食的绵羊，就在不久前刚刚经历过一场大型的心脏手术。而它背上那只时尚小“书包”内装着的，正是辅助其心脏跳动的血泵控制器。
自2013年3月14日安装上人工辅助心脏后，至当年4月，实验羊们已存活40多天，创下全国最高纪录。“心脏辅助”后的3只实验羊各项生理指标正常，情绪稳定，完全具备“生活自理能力”。
人工辅助心脏由中国航天科技集团公司一院18所研制。它们的健康存活，标志着该所研制的我国首个国产人工辅助心脏项目取得新突破，进入批次性的动物实验阶段，预计5年内进行临床试用。
(图：已移植人工心脏60多天仍然存活的实验“天久”羊之一，摄于2013年5月，天津）
这将改变我国对终末期心衰治疗无能为力的局面，有效延长患者存活时间，为此类患者带来“心”希望。
穿“皮马夹”的绵羊
在世界范围内，心脏供体都十分稀缺。大批心力衰竭患者（我国就高达1600万人），只能在对心脏供体几近绝望的等待中离世。除了心脏移植手术，治疗心衰还可以通过安装人工辅助心脏。一套这样的装置国外生产的售价高达50万元至100万元，实在太贵。生产“中国制造”的人工辅助心脏成为当务之急。
2013年7月4日，天津市最高气温高达37摄氏度，室外如同蒸笼一般闷热。在泰达国际心血管病医院动物实验中心，一只名叫“天久”的绵羊显然并不情愿在这样的天气外出散步，而是懒洋洋地躲在空调房里嚼着树叶。
动物实验中心主任张杰民和技术员刘天文给“天久”穿上特制的“皮马夹”，连拉带拽才把它带到草坪上。一路上，“天久”身上那件“皮马夹”引起了过路市民的好奇，甚至有人停下车拿出相机拍照。
“天久”为何要穿“皮马夹”呢？
原来，“天久”不是一只普通的羊。虽然它并不知道自己身上发生了什么，但它那经过改造的心脏里，跳动着数千万心衰患者的希望——第三代心室辅助装置，也称人工辅助心脏。“皮马夹”上背着两块电池，通过一根导线，为“天久”体内的人工辅助心脏提供着动力。将来心衰患者安装了这种人工辅助心脏后，也可以带着电池，外出自由活动，再也不必久卧病榻，生命质量由此大大提高。
作为国产人工辅助心脏的试验羊，“天久”已经创造了奇迹，存活了100多天，丝毫没有受到“换心”的影响。“这一成功标志着该医疗装置距离国产化和临床应用又前进了一步。”张杰民如是说。
“建院9年，总共只做了8例换心手术。”泰达国际心血管病医院院长刘晓程对记者坦言，心脏供体实在太稀缺了。治疗心衰，心脏供体指不上，有效的治疗药物也没有，国外的人工辅助心脏又太贵。被逼无奈，刘晓程萌发了研制国产人工辅助心脏的强烈愿望。
找谁研制？经过反复调研，刘晓程找到了中国运载火箭技术研究院第十八研究所。这个所掌握着用来控制火箭发动机动作的伺服技术，是火箭精确入轨的保证。伺服系统的核心就是精密的电机和泵，这和心脏的功能非常相似。
火箭专家造“心脏”
人工辅助心脏在生物及医学研究者看来，是人造器官里目前最易实现的一种。人工辅助心脏是一种特殊用途的泵，但与一般泵有着最大区别：一是要植入人体；其二它的工作介质是血液。这个特点就决定了人工辅助心脏必须要做得足够小，可靠性非常高，而且不能破坏血液，也不能被人体排异。
一开始，当刘晓程找到火箭研究院研发人工辅助心脏时，专家们都觉得匪夷所思：隔行如隔山，让航天专家去挑战人身上最重要的器官——心脏，看起来完全风马牛不相及，这么大力度的“跨界”合作能行吗？
“其实人工辅助心脏是人造器官里目前最可以实现的一种。”中国运载火箭技术研究院第十八研究所人工辅助心脏项目组副技术负责人许剑博士说，和功能复杂的肾脏、肝脏等人体器官比起来，心脏的功能简单得多，就是将血液以一定的压力和流量输出，其原理如同一部“水泵”。
研制人工辅助心脏从哪起步？航天人直接进入第三代人工辅助心脏。做得小自然是火箭专家们的强项。人工辅助心脏要求体积小、重量轻、功耗低，体积小、重量轻才方便植入人体内；功耗低才能降低温升、在同等电池情况下增加病人的自由活动时间。对于航天来说，只有高比功率才能实现打得远、打得准。借鉴航天产品的设计思想，目前泵做到直径49毫米、质量177克、功耗4.6瓦，达到了国际先进水平。
当然，要把泵做得足够小也不算特别难，国内也有很多地方能做到这一点。挑战还在于高可靠性。人的心脏可是一刻也不能“停摆”的，人命关天，对可靠性的要求非常高。而航天系统无论是运载火箭还是导弹，对产品可靠性的要求也素以严苛著称。看来，刘晓程找到火箭研究院来研发人工辅助心脏，并非是“误打误撞”，这种“瓷器活”还真得找他们。
通过借鉴载人航天工程上的冗余技术、热设计技术、降额设计技术等设计方法和实验手段，“可以说我们的人工辅助心脏的可靠性是非常有保障的”。航天人自信的底气，显然来自他们把“神舟”系列飞船送上天的高超制造水平。
应用于火箭的冗余技术当然也被用在了人工辅助心脏的设计上。第一头羊做试验时，实验人员出去吃饭，没想到好动的羊把导线给扯断了，导致实验失败。虽然人不会像羊那样“调皮”，但出于安全起见，研究人员还是“在很多薄弱环节都作了备份”，两块电池的设计就是为了以防万一。
“人工辅助心脏” 发展小史
心室辅助装置是全世界公认的各类终末期心衰的最有效治疗方法。从第一代气动血泵、第二代轴流血泵发展到今天的第三代悬浮血泵，经历了几代科学家艰辛的研究历程。
第一代血泵是仿照人类心脏搏动研制的搏动泵，采用气动或电动挤压来推动血液流动。由于血泵的体积大，无法植入体内，使大部分血泵只能置于体外进行短期心室辅助。其不仅感染发生率高、易损坏、易形成血栓和溶血较严重，而且动力系统庞大，给患者带来极大不便，因此无法推广。
第二代血泵兴起于1980年代，靠安装在机械轴承上的叶片旋转，推动血液前向流动，经过10余年的发展到本世纪初逐渐完善，具有体积小、流量大的优点。但此类血泵机械轴承易磨损使其耐久性降低，且血栓的发生率也较高。高速旋转的叶轮对血液的破坏也较重。诸多缺陷也使其难以推广。
第三代血泵以转子悬浮为技术特征，以非接触方式旋转推动血液，因此降低了能耗，延长了寿命。1992年日本Akamatsu医生开始采用磁悬浮技术研发第三代医用人工血泵。1996年美国Allaire医生报道采用磁悬浮技术研制离心血泵。近年来，磁悬浮血泵得到了飞速的发展，越来越多的证据表明，第三代血泵在性能上大大优于前两代产品。
迎接真正的挑战
造泵轻车熟路。但是，造出来并不等于成功了，真正的挑战才刚刚开始。第一次溶血性试验发现，提取出来的血清红得和番茄汁一样。很显然，红细胞被破坏了。于是，研究火箭设计的专家转向研究血液流动，研究红细胞破坏机理等生物学问题，攻克一个个技术难关。
通过计算机仿真模拟，不断优化流场，让血液在高速流动过程中不产生紊流，以免破坏血液细胞。
实际上，空气流场要比液体流场复杂得多。借鉴火箭设计经验，研究人员不断改进设计，最终将标准溶血指数NIH值稳定在0.0027mg/dL。国际上一般要求该值小于0.02-0.04mg/dL，数值越小越好，可以最大限度减少泵对血液的影响。
2012年6月21日成为一个关键节点，这一天进行的试验，“提取出的血清是清亮的”。许剑对这个重要的日子记忆犹新。从2010年设计出磁悬浮泵到2012年，两年多时间的攻关、不断优化，改了五次设计，才最终解决这一难题。
血液问题解决了，可人工辅助心脏植入羊体内后，刚开始还好好的，过不了两天，羊又忽然不行了。怎么回事？研究人员对羊进行解剖发现，原来是做手术时带来的问题。安装人工心脏，要在心尖部位打孔，孔要打得圆滑。开孔不好，心脏肌肉对装置的包裹性就不好，会产生漏血。“有只羊死后进行解剖，发现满肚子是血。”另外，手术过程中容易形成碎肉，进入装置，将泵卡住，“有次发现碎肉在泵里被碾成了一张肉皮”。为此，研究人员专门设计了打孔刀具，并成为后来申请的一项专利。
“人工辅助心脏是当今世界上高端医疗器械的代表，是集流体力学、电学、磁学、材料、控制、医学为一体的交叉学科，难度很大。航天企业所独有的从研发到生产的完整体系，保障了人工辅助心脏的研制，体现了航天系统的综合实力。”中国运载火箭技术研究院第十八研究所所长朱成林评价道。
克服了血液相容性、组织相容性、手术等一系列难题，第18只试验羊取得了成功，各项生理指标与术前基本无异，因而被取名“天久”，寓意它可以活得天长地久。
人工辅助心脏项目经理韩志富副所长介绍：“未来我们还要不断丰富产品类型，引入新的技术例如经皮充电等，力争将人工辅助心脏更加小型化，最终做到植入后与外界无任何物理连接，在给我国患者提供生命保障的同时，尽量降低医疗成本，更加提高生活质量。”航天人的目光，已经瞄准了更远的未来。