我们介绍了一种将猪主动脉瓣安装在脉动流模拟器上以测试其流体动力学特性的方法。该方法可用于在实验操作或新型医疗器械应用于大型动物模型之前，评估其对流体动力学性能的影响。
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本文内容
摘要
摘要
在动物模型中应用之前，用于测试新型心脏手术方法和研究性医疗器械的方案十分有限。本研究中，我们介绍了一种将猪主动脉瓣安装在脉动流模拟器中以评估其流体动力学特性的方法。通过该方法，可在实施待研究的手术操作和/或应用研究性医疗器械前后，对这些流体动力学特性进行评估。由于左心室流出道缺乏完整的心肌组织，流入段的固定存在一定困难。本方法通过利用二尖瓣前叶固定流入段，并将左心室游离壁缝合在流入端固定装置周围，从而解决了这一问题。流出段的固定则较为简单，只需将固定装置插入主动脉弓上部的切口即可。我们发现，组织固定前后，样本的流体动力学特性存在显著差异。这一发现促使我们在测试中采用新鲜样本，使用该方法时应充分考虑此因素。在本研究中，我们利用该方法对新型心内补片材料在瓣膜位置的应用性能进行了测试，具体操作是在安装好的猪主动脉瓣上实施主动脉瓣三叶成形术（Ozaki 手术）。这些瓣膜在手术前后均接受了测试，以评估其流体动力学特性的变化，并与天然瓣膜进行比较。本文报道了一种可用于实验性主动脉瓣手术流体动力学测试的平台，该平台支持与天然瓣膜进行比较，并可用于评估不同器械及技术在待研究手术中的表现。
引言
主动脉瓣疾病对公共卫生构成了重大负担，尤其是主动脉瓣狭窄，全球约有900万人受其影响1。目前，针对该疾病的治疗策略正在不断发展，包括主动脉瓣修复和主动脉瓣置换。在儿科人群中，尤其倾向于修复而非置换瓣膜，因为目前可用的假体容易发生结构性瓣膜退变（SVD），且不具备随生长而适应的能力，随着患者的生长发育，往往需要再次手术进行更换。即使是Ross手术——将病变的主动脉瓣（AV）以患者自身的肺动脉瓣（PV）替代——也仍需在肺动脉位置植入假体或移植物，而这些材料同样可能发生结构性瓣膜退变，并常表现出生长耐受性有限的问题2。新的主动脉瓣疾病治疗策略正在研发中，在应用于大型动物模型之前，亟需在具有生物学相关性的环境中进行测试。
我们已开发出一种用于测试猪主动脉瓣（AV）的方法，可在实验性操作或应用新型医疗器械前后，深入了解瓣膜的功能。通过将猪主动脉瓣安装在商用脉动模拟器上，我们能够比较常用于瓣膜假体研究及最终审批的血流动力学特性，包括反流分数（RF）、有效瓣口面积（EOA）和平均正向压差（PPD）3,4。随后可在具有生物学相关性的环境中对干预措施进行精细调整，再应用于大型动物模型，从而减少为开发可用于人类的手术方法或假体所需使用的动物数量。本实验所用心脏可取自当地屠宰场或其它实验....
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方案
所有研究均按照机构关于动物护理的指导原则进行。
1. 实验的注意事项与准备工作
- 使用合适的脉动流模拟器（PD）来模拟通过主动脉瓣（AV）的每搏输出量。该PD需能够容纳生物材料，并可进行清洁。
- 采用适用于主动脉瓣测试的PD设置：70 mL的排量体积，70次/分钟的心率（5 L/min的心输出量），心室收缩期占心动周期的35%，平均跨瓣压差为100 mmHg，最大压差为120 mmHg，最小压差为80 mmHg。
- 使用室温（RT）生理盐水（0.9% NaCl）作为流体介质。
- 寻找或制备（使用3D打印或类似方法）合适的夹具，用于将猪主动脉瓣固定在PD上进行测试。
- 采用以脉动流模拟器配套夹具为模型设计的夹具，规格如下：确保夹具的内径与所研究主动脉瓣的直径相近，连接长度至少为2 cm，可用连接宽度至少为4 cm（图1）。
- 在夹具两端使用橡胶O型圈作为密封垫片。
- 在心脏切除术后获取心脏标本（图2A）。
- 使用来自屠宰场的猪心脏标本，或使用其他健康动物的废弃组织，且这些动物未参与任何可能影响其心脏的实验方案。....
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结果
脉动模拟器收集的代表性数据包括反流分数（RF）、有效瓣口面积（EOA）和平均正向压差（PPD）。其中，RF 和 EOA 被用于人工瓣膜的 ISO 标准（ISO 5840），若正在研究人工瓣膜产品，则这些参数的采集至关重要。PPD 可提供关于开启瓣膜所需压力的信息，在讨论人工瓣膜置换时经常被引用3,4。本实验所使用的 HDTi-6000 脉动模拟器（BDC Laboratories, Wheat Ridge, CO）还可根据需要采集其他参数，包括关闭容积、泄漏容积、总反流容积、总前向流量容积、收缩期持续时间、最大正向压差以及平均前向流量。
正确实验条件下测得的天然主动脉瓣（n = 20）血流动力学参数（反流分数（RF）、有效瓣口面积（EOA）和平均压差（PPD））如表1所示。所获得的数值均在主动脉瓣测量的正常范围内，包括平均反流分数为5.74%12，以及平均预测主动脉瓣面积指数为1.08.......
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讨论
本文介绍的方法为进行主动脉瓣（AV）的流体动力学测试提供了一个平台，可用于评估实验操作或新型医疗器械的影响。通过将天然主动脉瓣安装在脉动模拟器上，我们能够确定实验操作对所有用于新型瓣膜假体研究与审批过程中的流体动力学参数（ISO 5840）的影响。该方法为在大型动物模型中应用之前优化实验操作和假体设计提供了机会。
由于左心室流出道缺乏环形心肌，流入段的固定存在一定困难。本方法通过利用二尖瓣前叶固定流入段，随后将左心室游离壁缝合在流入装置周围，并在心室袖带上额外使用扎带，从而解决了这一问题。其他类似方法曾采用将聚对苯二甲酸乙二醇酯（Dacron）管缝合至左心室流出道15,16，或将流入装置固定于房室瓣环附近17,18。这些方法存在一定的风险：若将瓣环固定于直径大于其天然尺寸的相对刚性流入装置上，可能导致有效开口面积（EOA）人为增大，而反流分数（RF）.......
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披露
作者无相关利益冲突需披露。
致谢
我们感谢Gordana Vunjak-Novakovic博士实验室的成员，包括Julie Van Hassel、Mohamed Diane和Panpan Chen，允许我们使用他们实验中的心脏废弃组织。本研究工作得到了新泽西州巴特勒的先天性心脏病联盟以及马里兰州贝塞斯达的美国国立卫生研究院（5T32HL007854-27）的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3D 打印机 | Ultimaker | Ultimaker S5 | 用于打印流体动力学测试用的定制夹具 |
| Crile-Wood 持针器 | Emerald Instruments | 2.0638.15 | 用于心室缝合 |
| Debakey 镊子 | Jarit | 320-110 | 用于解剖和样本制备（若有助手协助操作，可使用多个） |
| 乙醇 200 证明 | Decon Labs Inc. | DSP-MD.43 | 用于固定组织的储存 |
| 10% 福尔马林 | Epredia | 5701 | 用于组织固定 |
| Gerald 镊子 | Jarit | 285-126 | 用于解剖和样本制备 |
| 玻璃罐 | QAPPDA | B07QCP54Z3 | 用于组织储存 |
| 25% 戊二醛 | Electron Microscopy Sciences | 16400 | 用于组织固定 |
| HEPES 1 M 缓冲液 | Fisher | BP299-100 | 用于配制 0.6% 戊二醛溶液 |
| Mayo 剪刀 | Jarit | 099-200 | 用于剪断缝线 |
| Metzenbaum 剪刀 | Jarit | 099-262 | 用于解剖和样本制备 |
| O 型圈 | Sterling Seal & Supply Inc. | AS568-117 | 用作 3D 打印夹具末端的垫圈 |
| 聚乳酸树脂 | Ultimaker | 1609 | 用于 3D 打印夹具 |
| 聚丙烯缝线 | Covidien | VP-762-X | 用于心室缝合，带圆锥形针头 |
| 脉动模拟器 | BDC Laboratories | HDTi-6000 | 用于流体动力学测试 |
| 丝线结扎线 | Covidien | S-193 | 用于冠状动脉结扎 |
| 扁桃体钳 | Aesculap | BH957R | 用于冠状动脉解剖 |
| 扎带（6 英寸） | Advanced Cable Ties, Inc. | AL-06-18-9-C | 用于将样本固定在夹具上，长 157.14 mm（6 英寸），宽 2.5 mm |
| 扎带（8 英寸） | GTSE | GTSE-20025B.1000 | 用于将样本固定在夹具上，长 203 mm（8 英寸），宽 2.5 mm |
参考文献
- Aluru, J. S., Barsouk, A., Saginala, K., Rawla, P., Barsouk, A. Valvular heart disease epidemiology. Medical Science. 10 (2), Basel, Switzerland. 32(2022).
- Herrmann, J. L., Brown, J. W. Seven decades of valved right ventricu....
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