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一、血液不相容性一个复杂的难题
医疗器械血液不相容性是指血液接触医疗器械导致血栓（血块）形成时发生的情况，可能对患者的健康和安全构成重大威胁（图1）。如果设备引起的血栓导致设备故障和临床不良事件，则可能对患者有害并可能危及生命。如果血栓从装置表面栓塞（脱落），关键血管可能会被堵塞，从而限制或中断血流并导致严重的临床并发症，例如中风或心脏病发作。因此，在产品开发阶段继续进行之前，诊断和评估潜在的器械血液不相容性以确保功效至关重要。
由于凝血过程的复杂性和多种相互作用的因素，正确的诊断和评估通常类似于拼凑一个复杂的拼图。为了帮助设备工程师和制造商评估和提高其设备的血液相容性，我们将讨论一种系统方法来拼凑血液不相容性难题。”以下简要讨论了凝血机制，列举了可能导致器械血栓形成的关键因素，并概述了工程师和制造商可用于评估和量化医疗器械潜在血液不相容性的几个关键台式测试。包含关键术语词汇表作为参考。
图1.在血流循环测试中暴露一小时后，未涂层和肝素涂层的聚氨酯导管材料上形成血栓
二、血液凝固机制
人体具有利用血液凝固来快速止血的先天能力，这一过程称为止血。在这种情况下，血液凝固对于防止小伤口演变成危及生命的伤害至关重要。为了开始凝血过程，受损血管会释放化学物质，并在凝血途径中引发一系列复杂的细胞和分子反应（图2）。复杂途径的几个正反馈回路说明了一个微不足道的初始事件如何快速放大为形成的血凝块。
血液主要由血小板、各种血细胞、盐和通常无活性的可溶性蛋白质（称为凝血因子）组成。受伤或接触异物后，凝血因子会被激活，并产生一种称为凝血酶的酶。凝血酶将可溶性纤维蛋白原转化为不溶性纤维蛋白。形成的纤维蛋白通过提供捕获血小板、血细胞和血浆蛋白的支架而充当血凝块的基础。一旦形成纤维蛋白凝块，凝块本身就可以促进更多的凝血。虽然这个过程对于开放性伤口的愈合至关重要，但当它与血液接触医疗设备的使用相关时，它就会成为问题。
图2.显示内在和外在途径的简短凝血级联，内在途径是引起装置诱导的血栓形成的主要机制
当医疗器械与血液接触时，血液-器械表面界面可能会发生多种事件，从而触发凝血级联（图2）。在血液暴露的几毫秒内，一层蛋白质就会吸附到设备上。吸附的因子XII（血液中的一种非活性蛋白质）被激活（因子XIIa），并启动凝血级联反应。需要纤维蛋白原在装置表面形成纤维蛋白蛋白质网络。纤维蛋白原还充当粘合剂，使血小板附着在装置的表面。一旦血小板粘附到纤维蛋白原上，它们就会被激活并释放几种化学因子，导致附近的其他血小板相互粘附。这种现象称为“血小板聚集”。然后，表面聚集的血小板通过产生额外的凝血酶来促进更多的纤维蛋白原向纤维蛋白的转化，从而为凝血循环提供燃料。
三、临床和设备血液不相容性因素–拼图的一部分
装置血栓形成的机制非常复杂。每个装置都可以通过启动一组独特的凝血反应来形成血栓。在一个解剖部位表现良好的一种设备类型可能在不同的解剖部位出现问题。根据多年的研究和观察，已经确定了一些可能单独或组合影响装置整体血液不相容性的临床情况和装置设计因素。其中包括：(1)血流动力学（流速和潜在湍流）(2)设备几何形状()血液接触的持续时间(4)表面积(5)用于制造设备的材料类型装置（6）表面粗糙度（图）。设备工程师在开发血液接触医疗设备时需要评估和考虑每个因素以及各个因素之间的潜在相互作用，并在产品开发的早期阶段诊断任何潜在的血液不相容性问题。
（1）血流动力学
血流控制着血细胞和蛋白质输送到医疗器械表面的速率，并且可以极大地影响器械引起的血栓的形成和成分。放置在缓慢流动或停滞系统中的血栓形成装置，例如静脉，可能形成所谓的“红色血栓”，它由含有大量纤维蛋白的红细胞组成。停滞状态会阻止活化的凝血因子从装置表面冲走，从而产生大量纤维蛋白来捕获红细胞。放置在动脉等高流量系统中的血栓形成装置可能会形成“白色血栓”，其主要由少量纤维蛋白结合在一起的血小板组成。在高流量条件下，血量可能足以稀释凝血酶和其他活化的凝血因子，从而导致纤维蛋白形成减少。然而，即使在高流量情况下，血管壁表面处的血液流速也比血管腔中心处的血液流速慢得多，并且将装置放置到血管中可能会在装置的下游立即引起湍流。
图.临床和设备血液相容性因素--拼图的一部分
（2）器件几何形状
装置的几何形状极大地影响装置表面处或附近的血流动力学。装置对层流血流的干扰会产生湍流，从而诱发血栓形成。在湍流区域，血小板可能被迫到达装置表面，导致激活和聚集。湍流还可在装置的特定部位产生血液停滞区域，使活化的血液因子积聚，从而促进血栓形成。一般来说，装置的几何形状越复杂，例如人造心脏，出现湍流和潜在的血红素相容性的可能性就越大。
图4.血小板开始在未涂层聚氨酯表面扩散的SEM图像
放置在缓慢流动或停滞系统（例如静脉）中的血栓形成装置可能会形成所谓的“红色血栓”，该血栓由含有大量纤维蛋白的红细胞组成。停滞状态会阻止活化的凝血因子从装置表面冲走，从而产生大量纤维蛋白来捕获红细胞。放置在动脉等高流量系统中的血栓形成装置可能会形成“白色血栓”，其主要由少量纤维蛋白结合在一起的血小板组成。在高流量条件下，血量可能足以稀释凝血酶和其他活化的凝血因子，从而导致纤维蛋白形成减少。然而，即使在高流量的情况下，血管壁表面的血液流速也比血管腔中心的流速慢得多，并且将装置放入血管中可能会引起湍流。
（）血液接触时间和表面积
血液对医疗设备的反应也会根据设备表面与血液接触的时间长度而变化。对于短期装置（暴露于血液几分钟到几小时的装置），主要担心的是会形成明显的血栓，这可能会干扰装置的功能，以及在装置操作过程中形成的血栓栓塞，导致下游血管闭塞。长期装置，例如心脏瓣膜、中心静脉通路导管和血管移植物，可能会暴露在血液中数天、数月或数年。长期使用这些设备可能会对全身产生严重的影响，例如贫血，或可能促进感染和钙化。
表面积较大的设备可能会导致设备表面附近的循环血细胞和蛋白质被破坏或“消耗”，从而降低它们在血液中的浓度。当过多的红细胞被破坏时，就会出现贫血等情况。可能会出现其他并发症，例如因去除血小板而引起的凝血缺陷。
（4）医疗器械材料——表面化学和粗糙度
用于制造医疗器械的材料可能具有不同的表面化学成分，这些化学成分会影响血液成分对器械表面的反应程度。例如，表面电荷（阴离子或阳离子）可以影响设备表面上的血浆蛋白吸附。目前，尽管阴离子肝素涂层通常可以改善设备性能，但对于哪些材料与血液相容性还没有达成共识（图1）。一般来说，大多数合成聚合物和金属基质都会形成血栓。人类生物防御系统将它们视为异物。
另外，由于复杂的设备几何形状等其他因素，如果组成设备的材料与血液相容，那么用这些材料制造的设备也不一定与血液相容。
除了表面成分和化学性质外，表面粗糙度也在装置的血液不相容性中发挥重要作用。粗糙的表面对血小板附着具有更高的亲和力（图4），并且可能会在设备表面引起微湍流。应该指出的是，大多数表面在微观层面上都是粗糙的，即使它们在肉眼看来是光滑的。一般来说，研究人员认为，微观上光滑的表面，具有精确特异性的微观纹理的表面，比具有不规则、不受控制的粗糙度的表面更具血液相容性。
四、评估血液不相容性的台式测试
通过考虑上述关键的临床和设备血液不相容性因素来评估设备的相对血液相容性或血液不相容性的初步诊断。还有一些台式测试（体外）或动物模型（体内或离体）可用于测量医疗器械的血液相容性程度。可以采用几种体外测试方法来获得可量化的测量结果。表1总结了四项关键测试的描述：纤维蛋白原吸附、接触激活、血小板粘附和血流环路。图5显示了血栓形成表面与血液相容性表面的血小板静态粘附测试结果对比。在此测试中，血浆中的人血小板在测试样本上孵育一小时。然后清洗样品以去除任何松散粘附的血小板。使用血小板特异性荧光探针检测血小板，并使用显微镜和数码相机获取图像。从图像中，可以确定血小板覆盖率和血小板形态。如图6所示，体外血液循环可用于测试流动全血下表面的相对血栓形成潜力。可以目视检查表面，如果需要，可以通过测量放射性标记的血小板来量化血栓。值得注意的是，每个测试仅提供血液不相容性拼图的一块，必须运行各种测试才能完成拼图并获得清晰的图片。
检测--血液相容性表面（左）与血栓形成表面（右）
表1.体外血液相容性评估方法。所显示的示例是从可利用的各种测试选项中选出的一些关键测试
图6.体外循环牛血模型示意图
五、总结
总之，我们为设备工程师提供了一个框架，用于评估和检查血液相容性难题的各个部分，然后组装这些部分来解决难题。我们提供了以下步骤来诊断您的设备的血液不相容性：
回顾血液凝固途径，了解可以启动凝血过程的不同机制。
2.评估各种临床和设备血液不相容性因素如何影响您的设备的性能，并确定这些因素如何相互作用以产生复合效应。
.利用一些各种相关的台式测定来量化您的设备的血液相容性或血液不相容性程度。此外，应该指出的是，体外血液相容性并不能保证体内或临床设备的血液相容性，只能在临床前动物模型和人体临床试验中进行评估。
图7.(a)显微镜下看似光滑的表面显示出许多可能促进血栓形成的粗糙区域。(b）表面涂有钝化水凝胶的同一表面变得平滑，并减少了蛋白质吸附和血小板附着。
如果表明存在潜在的血液不相容性问题，设备工程师必须考虑下一个具有挑战性的难题——如何纠正问题并提高设备的血液相容性。由于器械的血液相容性问题很大程度上是一种表面现象，一种有效的方法是利用表面改性技术来改善器械表面的血液相容性，而不影响器械的其他物理性能或尺寸。图7显示了表面涂层如何改善设备的血液相容性的一个示例。
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Emboli–脱落的血栓。
酶——一种提高（催化）生物化学反应速率的蛋白质。
XII因子–（哈格曼因子）血浆中发现的一种糖蛋白。
因子XIIa–一种酶（因子XII的激活形式），对于内在凝血途径的启动至关重要。
纤维蛋白——形成纤维的不溶性蛋白质，是血栓的基础。
纤维蛋白原——纤维蛋白形成所必需的可溶性血液蛋白。
血小板——血液中含量丰富的小圆盘状细胞，有助于促进血液凝固。血小板对异物表面高度敏感。
凝血酶——催化可溶性纤维蛋白原形成不溶性蛋白质纤维蛋白的酶。
血栓形成——促进凝块。
血栓，血栓–血凝块–纤维蛋白、血小板和其他血液成分网络的聚集体。
