心脏外科的发展依赖于体外循环技术(Cardiopulmonary bypass，CPB)的发展。而CPB过程打破了人体内环境稳态，引起神经、内分泌系统失调，进而产生全身炎症反应，是术后并发症的主要因素。CPB产生炎症反应的病理生理机制有多种因素构成。一般认为分为两个主要阶段。第一阶段是血液与非内皮表面接触，造成细胞破坏，引起细胞释放生物活性物质，如细胞因子、补体等，激活内源性、外源性凝血途径，从而激活纤溶系统，引起炎症反应，消耗血液成分。第二阶段主要是由手术方式造成机体的体温波动、血液制品输注、血液稀释和破坏等，引起机体的缺血再灌注损伤和内毒素血症。当然，除了主要的白细胞活化的机制，线粒体DNA的升高也是CPB炎症产生的重要因素。

从血液开始接触非血管材料开始，补体活化途径开始启动，随后开始出现白细胞活化，内皮细胞炎症破坏等过程。血小板活化的诱因主要是肝素、与非生物性材料接触和低温。活化的血小板释放颗粒因子(血小板因子4、β-血小板球蛋白、血栓素B)，失去了正常的凝血功能，引起术后凝血功能障碍。由于管道设备等表面缺少内皮细胞，因此C3介导的经典途径激活，继而产生C3a、C5a等片段，导致血管通透性增加，白细胞活化等。正常生理情况下，细胞因子是免疫系统和防御机制的重要调节者，但在体外循环过程中，它们增加了炎症反应的严重程度。巨噬细胞和白细胞释放促炎因子，包括肿瘤坏死因子α(TNF-α)、白介素6(IL-6)、IL-1、IL-2和IL-8。体外循环后的患者血液中存在内毒素，主要来源于外源性和内源性革兰氏阴性菌。内毒素、促炎因子和TNF-α可以激活诱导型一氧化氮酶(iNOS)，释放大量自由基一氧化氮(NO)。一氧化氮酶(NOS)包括三种形式:神经元型、内皮细胞型和诱导型[1]。神经元型NOS主要使NO作为神经元间的信号分子；内皮细胞型NOS存在于血管内，产生NO引起血管扩张；诱导型NOS见于免疫细胞中，与血管通透性增加和血小板聚集减少有关。IL-6和NO的出现可能诱导心肌顿抑。炎性介质如TNF-α可诱导以DNA断裂为特征的细胞凋亡。目前认为保持促炎和抗炎因子(IL-10)之间的平衡对控制全身症反应的严重程度有重要作用。

为了改善患者预后，减少CPB期间的炎症反应是大家主要研究的重点。研究结果主要集中在药物、技术等方面，右美托咪定通过激活中枢α2受体，降低交感活性，下调应激血糖，从而减少炎症反应[2]；乌司他丁作为一种广谱胰蛋白酶抑制剂，能稳定溶酶体膜，减少溶酶体浓度[3]；瑞芬太尼降低体内血管性假血友病因子和可溶性血栓调节素水平，减少炎症因子表达，保护血管内皮细胞[4]。其实在血管内皮细胞表面存在内皮细胞多糖蛋白复合物层(EGL)，这是一种一层带有负电荷的类似凝胶的覆被，由糖蛋白、蛋白多糖和糖胺聚糖组成，避免了内皮细胞与血细胞的直接接触。而CPB中的微栓通过损伤EGL造成毛细血管壁损害，甚至引起血脑屏障紊乱。以CD133+或其分化细胞为基础的治疗对CPB术后急性肾功能损伤有一定作用[5]，其中CD133+细胞具有促进血管生成，介导组织再生和调节炎症等功能。动物模型表明，CPB回路中血-气平面也是引起血细胞活化，产生大量炎症因子的原因，因此，提示要减少血-气平面积。在CPB耗材方面，也不断进行改进创造，越来越多的材料和设备运用于CPB中以减少炎症反应。

1 体外循环管道

CPB中血液与非生物性材料接触是引起炎性反应的主要原因之一。因此，提高管道材料的生物相容性能很大程度地降低血液的机械破坏。生物相容性最高的为血管内皮细胞，微血管内皮细胞表面存在肝素样分子受体。目前常用的CPB管道均为肝素涂层管道，在血液通过管道时，能形成血液相容的浅层，减少血细胞、血浆蛋白等与管道的接触，减轻炎症反应的发生。肝素管道表面肝素分子的结合方式主要有离子型、共价型和物理结合三种，在长期使用时，尤其是离子型结合方式，肝素涂层会洗脱进入血液，具有一定危险性。此外，肝素对凝血系统的影响较大，引起出血和肝素相关性血小板减少，因此人们开始寻找新材料。

聚丙烯酸-2-甲氧基乙酯(PMEA)是一种在发展中的人工膜涂层材料。它是一种多聚体链，分子外侧无生物活性，保留了蛋白质分子周围的水化结构，很难与血液成分相互作用，是目前抗凝血材料的热点，改善人工器官的生物相容性。聚丙烯酸-2-甲氧基乙酯涂层的体外循环管道与肝素涂层相比，在长时间的体外循环过程中可减少血小板输注。PMEA涂层CPB可以改善心脏手术后的呼吸功能，减少全身炎症反应，说明PMEA为一种不输于肝素涂层的材料。目前新的材料很多，如Phisio(磷酰胆碱)涂层、Bioline-涂层(白蛋白-肝素)、Softline-涂层(无肝素，合成聚合物)，在术后炎症和患者住院和随访结果方面均无太大区别。新的Senko E-ternal涂层(SEC)也是一种具有良好生物相容性的新型材料，通过测定PF4(由活化血小板α颗粒释放的细胞因子)来反映血小板的活化和损伤情况。氧化石墨烯(GO)涂层负载肝素可显着降低血小板粘附，延长活化部分凝血活酶时间(APTT)，而不影响内皮细胞粘附和增殖。新型涂层材料的能改善术后凝血指标，能缓解CPB术中凝血功能紊乱的问题。