三叶聚合物瓣膜相对流体动力学评估方案

摘要

近年来，人们对开发聚合物瓣膜重新产生了兴趣。本研究的目的是证明改造商用脉动流复制装置以适配三叶瓣几何结构的可行性，并制定一项方案，用于在接近相同条件下，将聚合物瓣膜的流体动力学数据与天然瓣膜及假体瓣膜的数据进行比较。

摘要

目前可用的假体瓣膜、异种移植物和同种移植物存在诸多局限性，这促使近年来三叶式聚合物瓣膜假体领域的研究再度兴起。然而，在设计初期阶段，确定一套用于初步评估聚合物瓣膜流体动力学功能的方案至关重要。传统方法 体外 脉动模拟系统通常未配置用于容纳柔性的三叶瓣材料；此外，为了规避不同仪器测量结果的变异性，聚合物瓣膜功能的评估必须在与天然瓣膜和假体瓣膜相同的测试条件下进行相对比较。因此，我们采用一种经改装以适配三叶瓣几何结构的商用脉动模拟系统（ViVitro Labs Inc, Victoria, BC），对以下三类瓣膜进行了流体动力学评估：i）天然瓣膜（n = 4，平均直径 D = 20 mm），ii）双叶机械瓣膜（n = 2，D = 23 mm），以及 iii）聚合物瓣膜（n = 5，D = 22 mm）。聚合物瓣膜组由佛罗里达大学开发的三叶硅胶瓣膜组成。使用按35:65比例混合的甘油与水的溶液以模拟血液的物理特性。瞬时流量在左心室与主动脉单元接口处测量，压力则在心室侧和主动脉侧位置记录。文献中报道的双叶瓣膜和天然瓣膜数据被用于验证流量和压力读数。报告的流体动力学指标包括：正向流动压降、主动脉平均均方根正向流量、主动脉关闭压、泄漏量 以及反流容积、跨主动脉关闭、泄漏和总能量损失。代表性结果表明，通过将定制组装部件整合到商用脉动复制系统中，可成功获取三个瓣膜组的水动力学指标，并进行客观比较，从而为聚合物瓣膜设计的功能特性提供见解。

引言

心脏瓣膜病常由瓣膜退行性钙化引起¹，风湿热²心内膜炎^3,4 或先天性出生缺陷。当瓣膜受损导致狭窄和/或反流、瓣膜脱垂且无法通过手术修复时，通常需以人工瓣膜置换原生瓣膜。目前可用的选择包括机械瓣膜（笼球瓣、倾斜盘瓣） 等等。）、同种异体移植物瓣膜以及生物瓣膜（猪源性和牛源性瓣膜）。由于机械瓣膜具有较好的耐久性，通常建议为年轻患者选用；但患者需长期接受抗凝治疗以预防血栓并发症⁵同种异体移植物和生物假体瓣膜是避免抗凝治疗的有效选择；然而，这些瓣膜存在较高的纤维化、钙化、退变及免疫原性并发症风险，可导致瓣膜失效⁶组织工程瓣膜作为一种新兴技术正在被研究^7-9，但仍有诸多问题有待揭示。需要研发替代性的耐用且生物相容性良好的人工瓣膜，以改善心脏瓣膜病患者的生活质量。此外，该瓣膜设计还可取代经导管瓣膜技术中使用的生物瓣膜，而经导管技术已展现出变革特定类型心脏瓣膜病患者治疗方式的潜力¹⁰.

根据现行标准，成功的心脏瓣膜替代物应具备以下性能特征： "1）允许正向血流，并保持可接受的较小平均压差；2）防止逆向血流，并将反流控制在可接受的较小范围内；3）抗栓塞；4）抗溶血；5）抗血栓形成；6）具有生物相容性；7）与体内诊断技术相兼容；8）可在目标人群中顺利输送并植入；9）植入后位置稳定，保持固定；10）具有可接受的噪声水平....

方案

1. 准备

1. 设计并制作一个可容纳三叶瓣结构的装配装置。该装置至少应包括一个用于缝合瓣膜瓣叶的瓣膜支架，以及一根用于容纳瓣膜支架及其周围附件的管道，以便将整个组件固定在脉动模拟系统上。在本实验中，我们使用了由 ViVitro Labs Inc. (Victoria, BC) 提供的商用脉动模拟系统。瓣膜支架的设计以及装配前后的配置如图1所示。
2. 整个回路在使用前必须进行预充，该过程包括两个步骤：i) 使用肥皂溶液和水对整个回路系统进行清洗，并在使用前更换任何已老化的管道；ii) 对连接到回路的仪器进行校准，主要包括所使用的泵、流量探头以及压力传感器（通常在心房、主动脉和心室位置进行测量）。校准最初可使用1%生理盐水溶液进行，并应在使用血液模拟甘油溶液前重复校准。

2. 主动脉瓣原位解剖

1. 从经美国农业部（USDA）批准的屠宰场获取4个主动脉完整的猪心脏（可能需要获得机构动物护理和使用委员会（IACUC）的批准）。在本研究中，我们的解剖方案已获得佛罗里达国际大学机构动物护理和使用委员会的批准（方案批准编号：11-020）。用去离子水冲洗心脏，然后将其置于盛有1%抗真菌/抗生素和无菌磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液的容器中，并在冰上运输至流体动力学测试实验室。
2. 将心脏置于解剖盘中，仔细去除心包膜。调整心脏位置，使心室面朝向操作者。肉眼观察并辨认心脏的四个腔....

结果

典型的流量和压力波形如图3、4和5所示。各组曲线均为每组测试瓣膜样本的平均值，各样本量分别为：聚合物瓣膜组 n = 5，天然猪瓣膜组 n = 4，双叶瓣膜组 n = 2。这些样本量的平均水动力学参数及其均值的标准误差见表1。

图1. (a) ViVitro 脉动复制系统示意图，显示了实现Windkessel模型以产生生理相关流动的主要组件（本图经加拿大不列颠哥伦比亚省 ViVitro Systems 公司许可使用）。(b) 快速成型的瓣膜夹持器结构，用于缝合并固.......

讨论

在本研究中，我们展示了改造商用脉动模拟器以适配三叶瓣结构的实用性，从而可对聚合物瓣膜和天然猪瓣膜进行流体动力学测试。具体而言，我们所改造的系统为 ViVitro 左心及体循环模拟系统（图1a通过ViViTest数据采集系统（ViVitro Systems, Inc, Victoria, BC, Canada）进行控制。然而，该系统与其他几种 体外，搏动流回路均采用双组分Windkessel模型，以模拟与人体循环相关的血流和压力波形^22-25这两种组分的Windkessel系统通常由一个脉动泵、一个模拟动脉可扩张性的顺应性腔室，以及一个可用于调节血管阻力的外周阻力控制器组成。描述两种组分Windkessel模型的方程为：

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
泵	ViVitro Labs		http://vivitrolabs.com/products/superpump/
流量计和探头	Carolina Medical	型号 501D	http://www.carolinamedicalelectronics.com/documents/FM501.pdf
压力传感器	ViVitro Labs	HCM018
ViVitro 压力测量组件	ViVitro Labs	6186
瓣膜夹具	WB Engineering		由佛罗里达国际大学设计，WB Engineering 制造
脉动模拟器	ViVitro Labs	PD2010	http://vivitrolabs.com/wp-content/uploads/Pulse-Duplicator-Accessories1.pdf
脉动模拟器数据采集与控制系统（含 ViViTest 软件）	ViVitro Labs	PDA2010	http://vivitrolabs.com/products/software-daq
猪心脏及天然主动脉瓣	Mary's Ranch Inc
双叶机械瓣膜	Saint Jude Medical		http://www.sjm.com/
高真空润滑脂	道康宁公司（Dow Corning Corporation）		http://www1.dowcorning.com/DataFiles/090007b281afed0e.pdf
甘油	McMaster-Carr	3190K293	99% 天然级，5 加仑
磷酸盐缓冲液（PBS）	赛默飞世尔科技（Fisher Scientific）	MT21031CV	每颗心脏 100 ml
抗真菌/抗生素溶液	赛默飞世尔科技（Fisher Scientific）	SV3007901	每 100 ml PBS/心脏中加入 1 ml；ViVitro 系统使用 20 ml
NaCl	Sigma-Aldrich	S3014-500G	每升去离子水中加入 9 g
去离子水	EMD Millipore Chemicals		Millipore 去离子纯化系统制备。ViVitro 系统使用 1.3 L，心脏瓣膜解剖过程使用 200 ml