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。
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摘要
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；11）功能可重复；12）在其所属类别合理预期的使用寿命内维持正常功能；13）在植入前的合理储存期内维持其功能及无菌状态。"11一些现有瓣膜假体的缺陷有望通过聚合物瓣膜得到克服。基于生物稳定性、抗水解性、抗氧化性以及高强度和黏弹性等优异的力学性能，生物相容性聚合物被认为是极具前景的候选材料。特别是弹性体聚合物，其材料变形特性可模拟天然瓣膜的动力学行为。弹性体可被设计以模拟软组织特性，且可能是目前唯一兼具生物耐受性并能承受耦合的 体内，流体诱导的弯曲应力和拉伸应力，然而其运动方式类似于健康天然瓣膜的运动。此外，弹性体可大规模生产多种尺寸，易于储存，预计具有成本效益，并可通过纤维增强进行结构强化。
利用高分子材料组装三叶瓣膜的概念并非新近提出，在过去50年中已有若干研究对此进行了探索12，但由于瓣膜耐久性有限，这些研究大多被放弃。然而，随着新型制造方法的出现13,14、高分子材料的增强技术进步15,16，以及高分子瓣膜替代物与经导管瓣膜技术潜在的无缝整合，近年来人们对开发高分子瓣膜作为现有商用瓣膜的可行替代方案重新产生了浓厚兴趣并开展了大量研究。在此背景下，建立用于评估这些瓣膜流体动力学功能的测试方案是评价过程的第一步；然而，市售的脉动模拟系统通常不具备适配三叶瓣设计的能力，其结构仅设有用于安装商用心脏瓣膜的环形空间（例如 倾斜盘式、双叶机械心脏瓣膜）。其次，高分子瓣膜是一项新兴技术，其流体动力学性能只能在相对背景下进行评估。尽管已有天然心脏瓣膜的压力和血流数据，但仍有必要使用与评估高分子瓣膜相同的脉动模拟系统对生物学特性与人类瓣膜相似的天然猪主动脉瓣进行测试，以消除可能由系统差异引起的测量偏差。因此，本研究的目的是展示如何对市售脉动模拟系统进行改装，使其配备可容纳三叶瓣结构的组件，并在同一系统内以相对比较的方式系统评估高分子瓣膜相对于机械瓣膜和天然猪心脏瓣膜的流体动力学指标。在本研究中，由佛罗里达大学先前开发的新型三叶硅胶高分子瓣膜13构成了高分子瓣膜组。
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方案
1. 准备
- 设计并制作一个可容纳三叶瓣几何结构的组件。该组件至少应包括一个用于缝合瓣膜瓣叶的瓣膜支架，以及一个用于容纳瓣膜支架及其周围附件的管状结构，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组装前后的配置如图1所示。
- 整个回路在使用前需要进行预充，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）校准连接到回路上的仪器，即所使用的泵、流量探头和压力传感器（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. 主动脉瓣自然解剖
- 从经美国农业部（USDA）批准的屠宰场获取4个主动脉完整的鲜猪心脏（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，然后置于盛有1%抗真菌/抗生素和无菌磷酸盐缓冲液（PBS）溶液的容器中，并在冰上运输至水动力学测试实验室。
- 将心脏置于解剖盘中，仔细去除心包膜。调整心脏位置，使腹面朝向操作者。肉眼观察并辨认心脏的四个腔室，在完整的主动脉上定位主动脉弓。
- 在瓣环下方约0.75英寸处水平横切，将心脏分为两半。 即 主动脉与左心室之间的连接处。仔细分离仍附着于左心室组织片段的完整主动脉。
- 检查位于主动脉根部的主动脉瓣，该区域介于升主动脉与低位瓣环之间，确保无损伤或钙化迹象。
- 在瓣环上方约1英寸处切开主动脉，并分离瓣环下方的左心室组织段，以分离主动脉瓣图2a).
3. 聚合物瓣膜与自体瓣膜缝合过程
- 将心脏瓣膜放入瓣膜夹持器中，使瓣膜的基部与夹持柱的基部对齐。使用回形针在每个夹持柱上临时固定瓣膜，但需注意避免损伤交界处或瓣叶。
- 将缝线穿入缝合针中。从瓣膜夹持器底部开始缝合，将针从第一个孔的外侧穿入内侧，以便从底部轻松拉出针。以环形方式沿夹持器的柱体垂直向上缝合瓣膜。
- 继续沿夹持器周缘进行缝合（图2b），并在夹持柱顶端处用额外缝线固定。当瓣膜通过缝线完全固定在三个夹持柱上，并在瓣膜夹持器周缘完成缝合后，可移除回形针（图2c）（图2d 和 图2e）。
4. 流体动力学评估
注意：实际方案将根据所使用的特定脉动复制系统而有所不同。本文所包含的所有信息均基于 ViVitro 脉动复制系统（ViVitro Labs, Inc., Vancouver, BC）。
- 双叶瓣膜
- 将脉动模拟系统的心率设定为 70 次/分钟。
- 选择驱动泵的流量波形（在 ViVitro 系统中，所有流体动力学测试均选用 S35 波形）。我们实验中所使用的具体波形详见 Lim et al. (2001)17。
- 打开放大器和活塞泵，预热 15 分钟。
- 将双叶瓣膜（图 2f）置于主动脉位置。
- 在装置所有可能发生泄漏的连接处涂抹真空润滑脂。
- 向心房腔室中倒入甘油/生理盐水混合液。注意：脉动模拟系统运行所需的液体总量为 2 L，其中包含 35%/0.7 L 甘油和 65%/1.3 L 生理盐水溶液。生理盐水溶液通过将普通食盐充分溶解于去离子水中配制而成，浓度为 9 mg/ml（质量/体积）。
- 打开已安装在主动脉位置的流量传感器。
- 校准泵。
- 随后进行流量传感器和压力传感器的校准。与泵的校准类似，只需按照 ViVitest 软件（ViVitro Labs Inc.）在“校准”选项卡下针对每个流量和压力所给出的说明进行操作即可。
- 校准完成后，以较低转速启动泵，直至液体充满主动脉腔室。检查是否存在泄漏，必要时补充真空润滑脂。
- 将两个止流夹（主动脉和心室传感器处）转至开启位置。
- 逐步提高泵的转速，直至每搏输出量达到 80 ml/次。
- 让系统持续运行 10 分钟，直至流量稳定。可通过观察屏幕上显示的流量和压力波形来确认流量是否稳定。各周期之间波动极小或无波动是系统达到稳定状态的良好指标。
- 在 ViVitest 软件中选择“采集”模式。
- 点击“采集 10 个周期”。
- 在“分析”模式下，点击“表格”并保存文件。同时使用 ViVitest 中的“截图”功能保存波形图像。
- 天然瓣膜与聚合物瓣膜
- 对于聚合物瓣膜和动物瓣膜，遵循双叶瓣膜操作说明中的步骤 3.1.1 至 3.1.3。
- 将带有缝合瓣膜的瓣膜支架放入自制组件的玻璃管内。用上下部件夹紧玻璃管，并通过侧向螺钉和螺母固定。
- 将该组件安装在主动脉腔室与原始主动脉瓣膜支架之间。
- 继续执行双叶瓣膜操作说明中的步骤 3.1.5 至 3.1.16。
5. 后处理
- 流量与压力波形
- 对每种采集到的波形数据进行平均处理， 即 主动脉压（AP）、心室压（VP）和流量（Q）。
- 针对每组瓣膜（聚合物瓣膜、猪主动脉瓣和双叶瓣），在同一张图中绘制相应的收缩压（AP）、舒张压（VP）和流量（Q）随时间变化的关系曲线。
- 对于主动脉瓣，叠加正常的自体主动脉瓣18和双叶式人工瓣膜19 用于验证目的的文献中的图示。
- 水动力学参数
- 对于每个测试的瓣膜，应计算以下血流动力学指标：a) 正向血流压降和最大跨瓣压差（TVP），b) 主动脉根部均方根（RMS）正向血流速率，c) 主动脉正向血流、关闭、泄漏及总反流量，d) 瓣膜有效开口面积（EOA），e) 跨主动脉正向血流、关闭、泄漏及总能量损失。
- 前向流压力降由TVP读数计算得出，可分为三个时间区间：P：起止点均为0 TVP的区间；F：存在前向流动的区间；H：起始于0 TVP并终止于0流量的区间。最大TVP是根据主动脉和心室压力读数记录的跨瓣最大压力梯度。
- RMS 正向流速（Qrms) 可提供一个用于量化前向流速幅度的有用指标，如下所示：
其中“n”为采集的时间点总数，“Q”i瞬时流量测量值按顺序采集 i. - 主动脉前向、关闭和反流容积的计算基于以下时间间隔：前向：瓣膜前向血流开始时（to），至正向流结束（t1）；结束：从 t1 直至瓣膜关闭的瞬间（t2）；泄漏：来自 t2 直至心动周期结束（t3总反流量即关闭期反流量与渗漏量的总和。
- 基于血液特性的有效孔径面积（EOA）可通过计算P、F和H这三个时间段内每个时期的平均跨瓣压（TVP）来获得20:
- 能量损失定义如下21:
- 对于每个测试的瓣膜，应计算以下血流动力学指标：a) 正向血流压降和最大跨瓣压差（TVP），b) 主动脉根部均方根（RMS）正向血流速率，c) 主动脉正向血流、关闭、泄漏及总反流量，d) 瓣膜有效开口面积（EOA），e) 跨主动脉正向血流、关闭、泄漏及总能量损失。
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结果
典型的流量和压力波形如图3、4和5所示。各组数据均为每组测试瓣膜样本的平均值，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标准误见表1。
图1. (a) ViVitro脉动模拟系统示意图，显示了实现Windkessel模型以产生生理相关血流的主要组件（本图经加拿大ViVitro Systems公司许可使用）。(b) 快速成型的瓣膜夹持装置，用于缝合并固定硅胶或天然猪瓣膜。(
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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，脉动流回路，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. 这种双组分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。描述双组分Windkessel模型的方程为：
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者感谢佛罗里达大学医学院提供的种子基金。研究生（Manuel Salinas）的研究工作得到了生物医学研究领域少数族裔机会项目——科学研究提升计划（MBRS-RISE）奖学金的资助：NIH/NIGMS R25 GM061347。同时感谢华莱士·H·库尔特基金会通过佛罗里达国际大学生物医学工程系提供的财政支持。最后，作者感谢以下学生在实验过程各个阶段提供的帮助：Kamau Pier、Malachi Suttle、Kendall Armstrong 和 Abraham Alfonso。
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材料
| 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 |
参考文献
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