流体驱动沉积技术构建聚多巴胺-肝素涂层的低流量离心血泵：从表面修饰到结构优化的抗血栓与抗溶血性能研究

为解决离心血泵（CBPs）在低流量（<50-300 mL/min）器官灌注中涂层稳定性不足和溶血风险高的问题，北京理工大学团队通过流体驱动沉积技术开发了聚多巴胺-肝素（PDA-heparin）涂层，结合CFD优化泵头结构。研究显示，该涂层在动态剪切力下稳定性显著优于静态浸涂法，且优化后的血泵在兔模型中实现了16.3-121.0 mL/min的稳定流量，溶血指数（HI）低至0.78%。成果发表于《Bioactive Materials》，为小器官灌注器械的研发提供了新策略。

　　

在心脏、肺等大器官的体外机械循环支持中，离心血泵（CBPs）的高流量（1000-8000 mL/min）技术已趋成熟，但肝脏、肾脏和脑等小器官的低流量灌注（<50-300 mL/min）仍面临巨大挑战。传统肝素涂层在静态条件下制备，易因血流剪切力脱落或失活，而低流量区域的血流停滞又会增加血栓风险。更棘手的是，现有CBPs结构设计多针对高流量，直接应用于低流量场景可能导致溶血和血栓形成的双重风险。如何通过表面修饰和结构优化实现低流量CBPs的长期稳定性，成为临床转化的关键瓶颈。

北京理工大学Miaowen Jiang、Ming Li团队联合多家机构，在《Bioactive Materials》发表研究，创新性地将流体驱动沉积技术与仿生涂层设计相结合。研究团队从血管性血友病因子（VWF）的剪切力依赖性构象变化中获得灵感，开发了聚多巴胺-肝素（PDA-heparin）的流体驱动涂层技术，并通过计算流体动力学（CFD）优化泵头几何参数，最终构建出兼具抗血栓和抗溶血性能的低流量磁驱离心血泵系统。

研究采用分子动力学模拟（MD）分析剪切流对肝素-多巴胺分子相互作用的影响，通过定制循环装置实现涂层参数的流体动力学优化。利用SolidWorks设计泵头三维模型，结合ANSYS Fluent进行剪切应力与溶血指数（HI）模拟。通过3D打印技术制作原型泵，采用轴向磁悬浮电机驱动，并在兔双侧颈动脉模型中进行120分钟体外循环验证。

分子动力学模拟揭示流体驱动涂层的增强机制

MD模拟显示，在剪切流场中，肝素分子链充分伸展（半径回旋值Rg增加23%），减少了分子聚集。尽管氢键数量减少，但π-π堆叠和疏水相互作用增强，使涂层与基底结合能绝对值提升15%。这解释了流体驱动涂层在原子力显微镜（AFM）中表现出的更高粗糙度稳定性（冲洗60分钟后高度差仅增加1.5 nm，而静态浸涂法减少4.6 nm）。

流体驱动沉积技术实现涂层稳定性突破

通过定制化循环装置（流速63 mL/min，壁剪切应力6.8 dyn/cm²），研究团队发现流体驱动沉积的PDA-heparin涂层硫含量比静态法高18%（XPS数据），且N 1s谱中质子化胺（C-NH₃⁺）峰强度增加，表明更强的静电相互作用。体外冲刷实验证实，流体驱动涂层的血小板吸附量仅为静态法的1/3，内皮细胞（HUVEC）覆盖率提高40%。

CFD指导的泵头结构优化

计算表明，6片翼型叶片、0°弯曲角、1.8 mm转子-壳体间隙的设计在1000 rpm时溶血指数最低（0.78%）。与商业LivaNova?泵相比，优化设计的涡流区域减少62%，最大剪切应力从450 Pa降至280 Pa。值得注意的是，1.8 mm间隙虽增大低剪切区，但通过涂层技术弥补了血栓风险，体现了"结构-表面"协同设计理念。

动物实验验证系统性能

在兔模型中，流体驱动涂层泵运行120分钟后，凝血酶原时间（PT）和活化部分凝血活酶时间（APTT）分别比未涂层泵缩短35%和28%（p<0.001）。扫描电镜（SEM）显示，涂层泵仅见细胞碎片，而未涂层泵出现纤维蛋白网络结构。流量稳定性测试显示，在1250 rpm时波动<±1.5 mL/min，优于商业泵在同等低流量下的±20 mL/min波动。

讨论部分指出，该研究首次将流体驱动分子组装原理应用于CBPs涂层工程，解决了传统静态法在动态环境中的不稳定性问题。虽然目前涂层依赖物理吸附，长期耐久性仍需验证，但为器官特异性灌注器械开发提供了新范式。未来需通过与Carmeda?等临床成熟涂层的直接对比，进一步明确技术优势。这项从分子机制到器械系统的跨尺度研究，为心脑血管疾病、器官移植等领域的体外循环技术开辟了新路径。