新冠救命神器：国产第一台ECMO是如何研发的？揭开幕后的故事
文章来源：贤集网发布日期：2022-01-04浏览次数：91 近日，国内体外膜肺氧合设备(ECMO)研发成功并运用于临床。联合研发方西安交通大学第一附属医院心血管病医院院长袁祖贻表示，体外膜肺氧合设备长期依赖进口，这款国产ECMO设备突破了国外的技术垄断，还运用了磁导航、磁控技术等新技术。袁祖贻希望，国产ECMO在国内市场普及后，能将动辄十余万元的使用费用降低到三五万元，终使用花销在进口设备的20%以下。
在抗击新冠肺炎疫情中，体外膜肺氧合设备（简称ECMO）大显身手，被称为危重患者的“救命神器”。近期，由我国科研人员自主研发的ECMO进入临床阶段，实现了国产重大医疗器械自主化研制的突破，有望打破长期以来该设备依赖进口、价格高昂的局面，推动ECMO向基层医院普及，让更多患者受益。世界上第一台ECMO，有什么样的故事？国产第一台ECMO是如何研发的？新华每日电讯记者采访核心科研团队成员，揭开幕后的故事。ECMO：可以追溯到半个世纪以前ECMO并非横空出世的英雄，它的历史早可以追溯到半个世纪以前、世界第一例体外循环心脏外科手术。1953年，美国医生吉本（John Heysham Gibbon），成功为一名患者实施房间隔缺损修复术。这一手术的关键在于使用了吉本所设计发明的一个机器，短时间替代患者的心肺功能，辅助血液供氧，实现体外循环运转45分钟。这是早的人工心肺机。在此之前，吉本花了23年时间发明这款机器、进行动物实验，其间他还曾入伍参加二战，复员后继续投入研发。以此作为开端，人工心肺机两个主要部件——氧合器和血泵的材料和技术不断向前演进和发展，并陆续有公司将其商业化推向市场，之后在医疗器械产品中开辟了体外循环支持这一门类。它应用人工管道将人体大血管与人工心肺机连接，从静脉系统引出静脉血，并在体外氧合，再经血泵将氧合血输回动脉系统的全过程，又称心肺转流，主要应用于心脏、大血管手术。吉本发明的体外循环支持设备，被称为CPB（Cardiopulmonary Bypass），因其设备体积大，主要放在手术室，在有限的心外科手术时间内暂时替代人体的心肺功能。东莞科威医疗器械有限公司制造ECMO设备膜式氧合器等耗材，该公司市场经理洪眸对南方周末记者介绍，传统的心脏手术一般只要几小时，体外循环设备大很多，耗材费用也低；ECMO和它的原理其实是一样的，但体型更小，而且ECMO一般要能维持几百个小时，所以它们的心泵、涂层等构成不一样。1971年，希尔医生（J Donald Hill）及其团队，为一位患成人呼吸窘迫综合征的患者，提供了3天的心肺功能支持，开创长时间生命支持纪录，开启了ECMO时代。不过，在1979年、1994年，关于ECMO临床应用的两个随机对照研究（RCT）显示，重症ARDS（呼吸窘迫综合征）患者随机接受传统通气或者ECMO治疗，组间病死率无明显差异，这一结果使得ECMO被冷落一旁，主要应用于婴幼儿的心肺衰竭治疗。直到2009年，《柳叶刀》杂志发表了第三个ECMO治疗ARDS的RCT研究结果，表明ECMO组6个月内存活且能生活自理者占63%，比传统治疗组高出16个百分点。同年，在《美国医学会杂志》发表的一篇治疗因H1N1感染导致的重症ARDS患者的临床研究显示，约1/3机械通气患者接受了ECMO治疗，存活率79%。ECMO的地位开始提升，并越来越多地应用于成人。ECMO性能也在不断提升，目前主流的ECMO采用了3M生产的一种名为聚甲基戊烯（PMP）氧压膜的长效氧压膜，它在长达两三个月运转后也不会出现血浆渗漏或是氧合性能下降。除了呼吸窘迫综合征、心肺衰竭，ECMO在心脏移植等方面也有应用场景。1990年代，中国也开始了ECMO治疗方法。1993年，中国医学科学院心血管病研究所、阜外医院龙村等8名医生，在《中国循环杂志》1993年第8卷第8期发表论文《体外循环膜肺支持疗法（附一例临床报告）》，介绍他们一例病例在临床中使用ECMO的过程和经验教训。这篇稿件的收稿时间是1991年7月，这是中国早有记录的使用ECMO的病例。虽然论文说是ECMO，但它仍属于CPB范畴，所采用的设备包括循环机、膜肺、血氧饱和度仪、温度检测仪、心电监护仪等等，都是来自各海外品牌的现场组合。这次治疗虽以失败告终，但是ECMO延长了患者生命，尤其使其肺部病变明显改善。直到2002年，中山市人民医院才使用ECMO救治了一名急性暴发性心肌炎患者，成为中国内地早一例真正意义上的ECMO支持病例。但此后，这一设备并没有得到大范围推广，每年新增的ECMO中心在10家左右，2015年才终于突破104家。2017年6月，中国医师协会体外生命支持专业委员会正式成立，开始在全国开展体外生命支持组织（ELSO）规范调查，了解全国ECMO现状。这一年，中国的ECMO有了飞跃式发展，全国共计有233家ECMO中心，比2016年增加了91家；全年辅助2826例数，比2016年增长了129%。到了2018年，中国ECMO中心数量增至260家、辅助例数3923例，这一年在国际ELSO注册的全球ECMO病例数为10423例，中国约占其中的37.6%，比2017年的占比提高近10个百分点。2018年中国人口约占全球的18%，中国ECMO应用情况领先全球平均水平。ECMO的高光时刻2020年初暴发的新冠肺炎疫情，让ECMO迎来了高光时刻。2020年1月22日，武汉大学中南医院使用ECMO成功救治一位重症新冠肺炎患者。同一天，在国家卫健委印发的《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案》（试行第三版），正式将ECMO纳入其中，同时它还出现在中国医学装备协会的疫情防治所需设备清单里。当时，中国企业纷纷通过转产、扩产的方式，供应口罩、防护服等医用防护用品，但在ECMO设备扩产方面却难以实施。3月4日，在国务院联防联控机制举行的发布会上，工信部装备工业一司司长罗俊杰介绍，疫情期间共向湖北发送了67台ECMO设备，其中29台是紧急从国外采购，其余是向各省求援、从各地征调。截至3月13日，在中国医学装备协会的疫情防治所需设备清单（共五批）中，体外膜肺氧合机(ECMO)的供应商一共有7家，其中只有1家是中国企业——天津汇康医用设备有限公司（以下简称“天津汇康”）。五年磨一剑，国产ECMO“小个子有大能量”一块不到0.5平方米大小的“小方块”，连接着几根特制的导管，整体重量只有6公斤——这就是国产第一台ECMO简约朴素的“真身”。但别小看了这套设备，不仅核心组件都由我国自主研发，还比进口同类设备小巧轻便很多，适合便携式挪动，尤其有利于应急救援中的紧急调运。ECMO俗称“人工肺”，是当前国际先进的生命支持技术之一。它的一项重要功能是对急性或重症心、肺功能衰竭患者提供体外呼吸与循环，为抢救赢得宝贵时间，是医生们从鬼门关“抢人”的“救命神器”。2020年新冠肺炎疫情发生后，随着危重症患者不断增加，ECMO数量严重不足。一时间，全国多地的ECMO被紧急调运支援武汉。然而，这一重要的医疗设备在我国长期依赖进口，设备及耗材费用高昂，业内常有“ECMO一响、黄金万两”的比喻。目前，我国尚无生产ECMO的厂家，国内现在拥有的400余台ECMO均从国外进口，而在全球范围内，ECMO市场基本被美国和德国的几个厂商所垄断。如今，这一局面终于开始被打破。近，由四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心、西安交通大学第一附属医院、西安交通大学机械学院等历时5年科研攻关，共同研发的国产ECMO成功应用于临床，实现了中国在该技术领域从0到1的突破。在四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心，记者见到了国产ECMO研发的部分核心团队成员。这支研发团队由大名鼎鼎的中国工程院院士张兴栋率领，整个队伍才20多人，其中不少是年轻人。记者在现场看到，一场ECMO内部研讨会正在召开。中间有两个人在热烈讨论，其中一位是四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心主任王云兵（国产首台ECMO研发总设计师），另一位则是西安交通大学附属医院心血管外科副主任技师王京玉。“我们两个人经常讨论着，不一会儿就吵起来了。”王云兵笑着说。记者在现场看到，相较于进口设备的“大块头”，我国自主研发的这款ECMO非常小巧，是进口设备重量的五分之一，体积更小、方便携带，能装进20寸行李箱里，直接就能带上飞机。ECMO的工作原理是用离心泵将患者的静脉血引到体外，通过体外的膜肺，血液被氧合后，再输回患者体内，从而维持人体脏器组织的供氧。每一个步骤都非常关键，缺一不可。而国产ECMO小巧的体积，却要实现和进口设备一模一样的功能，是如何做到“小个子有大能量”的？王云兵告诉记者，这台国产设备看起来简单，实际上包括离心泵、人工血管、膜肺、监测系统等关键部分，只不过经过数千次试验，研发人员把很多功能“打包”集合在了一起。“比如，进口ECMO是一个功能操作需要一个芯片‘大脑’，而我们统一把所有的功能操作集合在一个芯片‘大脑’里，这个‘小方块’实际上就是整个设备运行的‘强大脑’，医生在‘小方块’屏幕上就可以轻松操作，发出具体指令。”王云兵说。为了让整个设备更加便捷，研发团队反复试验，还将人工血管长度较进口设备缩短了30%。关键“三宝”：“强大脑”、抗凝血涂层、磁悬浮离心泵“目前，通过第三方的权威评测，国产首台ECMO不仅在多个指标上与进口设备打成平手，在一些关键指标上甚至超越了进口设备。”王云兵说。比如，集合了大部分功能芯片的“强大脑”，从外观呈现出来仅仅是一个“小方块”，这个大胆又关键的创新，让业内人士都大吃一惊。“大家都没想到我们能做那么小，但是，结果就是我们真的做到了。”王云兵说。刚开始，科研团队也是摸着石头过河，他们先研究了ECMO工作需要的关键功能，然后提出一个大胆的想法，这些功能是不是可以集合在一起？根据ECMO的工作原理，大家决定大胆“闯”一下。好在，这个科研团队人数虽然不多，但麻雀虽小，五脏俱全。不仅有院士，还有临床医生，有专注医疗材料的研发人员，也有搞芯片设计的。20多个人一起埋头在实验室里研究，经过上千次不懈研发，终于打造出这个小巧的“强大脑”。抗凝血涂层是国产ECMO的关键技术突破。研发团队试验了上千次，研发出适合的抗凝血涂层，能有效减少血液在体外循环的损耗，测试结果显示比进口设备效果还好。无轴磁悬浮离心泵也是一个关键突破。王云兵告诉记者，团队开发的无轴磁悬浮离心泵流场分布均匀，对血液破坏更小，效率也比进口设备提升了20%。长期以来，ECMO作为医疗器械领域的“核心武 器”，国内有不少团队都在研发，甚至不乏比王云兵所在团队更有实力、资源和财力的，说实话，能否出成果，王云兵和团队成员开始心里是没底的，也顶着不小的压力。
但他们从来没想过放弃。“2017年，我们团队决定要研发国产ECMO，那个时候，ECMO还鲜为人知，只是因为我们内心的执着。”王云兵说，因为有几次，他和团队成员去医院了解情况，发现一些重症患者因为用不起ECMO，不得不放弃治疗。至今，王云兵都还记得当年看到的那些无奈心痛的情景。“从那时起，我就决定一定要研发出国产ECMO，不论有多困难，我们都要克服。因为，这是一件拯救生命的人生使命。”他说。在困难的时刻，团队的领队、中国工程院院士张兴栋给予了很大的支持。今年83岁的张兴栋院士不仅全程给予指导，还力所能及给ECMO研发团队开通“绿色通道”。“去年新冠肺炎疫情发生后，张院士明确跟我们说，你们把手里其他事情全放下，就一心一意攻关ECMO研发。”王云兵说，这句话在当时给了他非常大的支持，让他看到老一辈科研工作者身上的爱国大情怀。如此“强大”的国产ECMO，上市后的价格却很可能仅为进口设备的五分之一。“以后，越来越多病人将用得起ECMO了，越来越多基层医院也能拥有ECMO了。”张兴栋院士充满期待地说。20余年科研积淀，“医工结合”激发创造力在张兴栋院士看来，该科研团队之所以能在国内多家自主研发ECMO团队中脱颖而出，率先进入临床阶段，关键是有一支涵盖材料、医学、机械工程等多学科交叉互补的跨学科、跨地域协作公关团队，并且在此领域有长期丰富的积累。如西安交通大学第一附属医院从事ECMO临床应用及相关研究超过20年；四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心作为个生物医学材料及医疗器械科研单位，20多年来长期践行“医工结合”技术研发模式，在生物医学材料及器械科学与工程领域走在国际前列。从上世纪90年代以来，张兴栋院士带领科研团队攻克了一个又一个国际难题，研发出的牙种植体、涂层人工关节等生物材料，一直走在国际前沿。2016年，张兴栋院士还接任了国际生物材料科学与工程学会联合会主席。这是该联合会成立以来，由我国科学家担任主席。“我们的ECMO科研团队不是无中生有，而是基于20多年的各种科研积累，相当于站在这个领域的‘巨人’肩上。”王云兵说。“产学研一体化”的科研传统也进一步加快了国产ECMO的研发速度。上世纪九十年代，张兴栋院士就带着研发团队开始实践“产学研一体化”。他和团队开办的公司起初注册资金仅50万元，在国内生物材料领域“小的可怜”，却创造了年均上千万元的产值，也因此吸引了全球先进人才。王云兵就是其中之一，他曾是全球多家知名医疗器械公司的首席科学家，研发了多个全球领先的医疗器械，却毅然回到四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心这栋不起眼的小楼里，一心一意埋头搞科研，硬是带着跨学科、跨地区团队研发出了国产首台ECMO。“作为科研人员，我们没有别的想法，就想干点真正有意义的事，研发出对社会有益的东西。”在张兴栋院士的眼里，这是科研人员的初心，而这份初心，也流淌在王云兵等全体研发团队的心中。 
