人工心臟或體外膜氧合（ECMO）等血泵裝置，雖然在拯救生命方面扮演重要角色，但其潛在的副作用——對紅血球的損傷，一直是醫學界面臨的挑戰。近期，一項利用超級電腦進行的模擬研究，深入探討了血泵內部複雜的流體動力學環境如何導致紅血球損傷，為未來改善血泵設計、降低患者風險提供了重要的科學依據。
紅血球損傷：血泵治療的隱憂
血泵裝置通過機械方式驅動血液循環，為心臟或肺臟功能衰竭的患者提供支持。然而，血液在泵內高速流動、受到剪切力作用的過程中，紅血球可能發生變形、破裂（溶血）甚至死亡。這種紅血球損傷不僅會降低血液的攜氧能力，還可能引發炎症反應、腎功能衰竭等併發症，嚴重影響患者的預後。因此，深入了解血泵內部紅血球損傷的機制，對於優化血泵設計、減少患者不良反應至關重要。
超級電腦模擬：揭示微觀損傷機制
傳統的實驗方法難以觀察血泵內部複雜的流體動力學環境，以及紅血球在微觀層面的行為。本次研究團隊利用超級電腦，建立高精度的血泵流體動力學模型，模擬紅血球在泵內的運動軌跡和受力情況。研究人員將紅血球視為具有彈性的微小囊泡，並考慮了血液的黏彈性和紅血球之間的相互作用。
模擬結果顯示，紅血球在血泵內主要受到兩種力的作用：
剪切力和撞擊力。剪切力是指血液流動時，不同層次之間的摩擦力，這種力會導致紅血球變形甚至破裂。撞擊力則是指紅血球與血泵壁面或其他紅血球碰撞時產生的力，這種力也可能導致紅血球損傷。
研究發現，血泵內某些區域的剪切力特別高，例如葉輪尖端、狹窄通道等。在這些區域，紅血球更容易發生變形和破裂。此外，紅血球在泵內的停留時間越長，受到損傷的風險也越高。模擬數據還顯示，紅血球的變形程度與其受到的剪切力大小呈正相關。當剪切力超過一定閾值時，紅血球的膜結構就會發生不可逆的損傷，最終導致溶血。
數據佐證：模擬結果與臨床觀察一致
研究團隊將模擬結果與臨床觀察數據進行了比較。他們發現，模擬預測的紅血球損傷程度與臨床上觀察到的溶血指標（如血漿游離血紅蛋白濃度）具有良好的一致性。這表明，超級電腦模擬能夠準確地反映血泵內部紅血球損傷的真實情況。#### 結論與研判：
優化設計，降低風險
這項研究利用超級電腦模擬，深入揭示了血泵內部紅血球損傷的微觀機制。研究結果表明，高剪切力和長時間的停留是導致紅血球損傷的主要原因。這些發現為未來優化血泵設計提供了重要的指導方向。
例如，可以通過改變葉輪的形狀、增加通道的寬度等方式，降低血泵內部的剪切力。此外，還可以通過優化血泵的控制策略，縮短紅血球在泵內的停留時間。通過這些改進措施，有望降低血泵對紅血球的損傷，減少患者的不良反應，提高血泵治療的安全性。
未來，研究團隊計劃進一步完善模擬模型，考慮更多影響紅血球損傷的因素，例如血液的黏度、紅血球的彈性等。此外，他們還將與工程師合作，將模擬結果應用於實際的血泵設計中，開發出更加安全、高效的血泵裝置，為更多患者帶來福音。
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原始資料來源: GO-AI-6號機 Date: April 2, 2026