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Articolo metodologico

Protocollo per la relativa valutazione idrodinamica del Tri-volantino Polymer Valvole

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DOI:

10.3791/50335

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17 ottobre 2013

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Tissue Engineered Mechanics, Imaging and Materials Laboratory, Department of Biomedical Engineering, Florida International University, 2Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of Florida , 3College of Medicine, University of Florida , 4King Faisal Specialty Hospital and Research Center, Jeddah, Saudi Arabia

In questo articolo

Sommario

C'è stato un rinnovato interesse per lo sviluppo di valvole polimeriche. Qui, gli obiettivi sono a dimostrare la fattibilità della modifica di un duplicatore di impulso commerciale per accogliere geometrie tri-opuscolo e di definire un protocollo per presentare polimeriche dati idrodinamici delle valvole rispetto ai dati della valvola nativa e protesica raccolti in condizioni quasi identiche.

Abstract

Limitazioni di valvole attualmente disponibili protesici, xenotrapianti, e homograft hanno indotto una recente recrudescenza degli sviluppi in materia di tri-opuscolo polimero protesi valvolari. Comunque, l'individuazione di un protocollo per la valutazione iniziale della funzionalità idrodinamica valvola polimero è fondamentale durante le prime fasi del processo di progettazione. Tradizionale nei sistemi di duplicatori di impulso in vitro non sono configurati per ospitare materiali tri-opuscolo flessibili, inoltre, la valutazione della funzionalità della valvola polimero deve essere fatta in un contesto relativo alle valvole cardiache native e protesiche in condizioni di prova identiche in modo che la variabilità nelle misurazioni da diverso strumenti possono essere evitati. Pertanto, abbiamo condotto valutazione idrodinamico di i) nativa (n = 4, diametro medio, D = 20 mm), ii) bi-pieghevole meccanico (n = 2, D = 23 mm) e iii) le valvole polimero (n = 5, D = 22 mm) tramite l'uso di un sistema di duplicazione impulso disponibile in commercio (ViVitro LabsInc, Victoria, BC), che è stato modificato per ospitare valvola tri-opuscolo geometrie. Valvole di silicone Tri-volantino sviluppati presso l'Università della Florida, compreso il gruppo di valvola di polimero. Una miscela in rapporto di glicerina 35:65 all'acqua è stato usato per mimare le proprietà fisiche del sangue. Portata istantanea è stata misurata in corrispondenza dell'interfaccia del ventricolo sinistro e dell'aorta unità mentre la pressione è stata registrata nelle posizioni ventricolari e aortica. Bi-volantino e dati della valvola nativa della letteratura è stato utilizzato per convalidare il flusso e pressione. Sono stati riportati i seguenti parametri idrodinamici: avanti la caduta di pressione del flusso, della radice aortica significa tasso quadrato in avanti di portata, chiusura aortica, di dispersione e di volume di rigurgito, chiusura transaortico, le perdite e le perdite di energia totale. Rappresentante risultati hanno indicato che i parametri idrodinamici dei tre gruppi di valvole potrebbero essere ottenuti con successo, incorporando un assemblaggio su misura in un sistema di duplicazione di impulsi disponibili in commercio e subsequently, oggettivamente rispetto di fornire approfondimenti su aspetti funzionali del polimero di disegno della valvola.

Introduzione

Valvulopatia cardiaca spesso deriva da degenerativa calcificazione della valvola 1, la febbre reumatica 2, endocardite 3,4 o difetti congeniti alla nascita. Quando si verifica danno valvola, causando stenosi e / o rigurgito prolasso della valvola e non può essere riparato chirurgicamente, la valvola nativa viene generalmente sostituita da una valvola protesica. Attualmente le opzioni disponibili includono le valvole meccaniche (valvole a gabbia-sfera, valvole a disco inclinabili, ecc.), Homograft e valvole bioprotesiche (suina e bovina valvole). Valvole meccaniche sono spesso raccomandati per i pazienti più giovani in base alla loro durata nel tempo, ma il paziente è richiesto di rimanere in terapia anticoagulante per prevenire le complicanze trombotiche 5. Protesi valvolari homograft e biologiche sono state scelte efficaci per evitare il sangue terapia più sottile, tuttavia, queste valvole hanno elevato rischio di fibrosi, calcificazione, degenerazione, e le complicazioni immunogenico che portano a insufficienza della valvola 6. Valvole tissutale sono oggetto di indagine come una tecnologia emergente 7-9, ma molto resta ancora da scoprire. Sono necessari durevoli, biocompatibili, valvole protesiche alternative per migliorare la qualità della vita dei pazienti affetti da malattie valvolari cardiache. Ancora una volta, questo motivo valvola potrebbe sostituire la bioprotesi utilizzato nella costruzione di valvole transcatetere, con approcci transcatetere mostrano il potenziale per trasformare il trattamento di pazienti selezionati con malattia cardiaca valvolare 10.

Come affermato dalle norme vigenti, un successo della valvola cardiaca sostituto dovrebbe avere le seguenti caratteristiche prestazionali: "1) consente il flusso in avanti con accettabilmente piccola goccia media differenza di pressione; 2) impedisce il flusso retrogrado con accettabilmente piccolo rigurgito; 3) resiste embolizzazione; 4) resiste emolisi; 5) resiste alla formazione di trombi; 6) è biocompatibile; 7) è compatibile con le tecniche diagnostiche in vivo; 8) è consegnabile e impiantabile nel targetpopolazione; 9) rimane fissa una volta collocato, 10) ha un livello di rumore accettabile; 11) ha funzione riproducibile; 12) mantiene la sua funzionalità per una vita ragionevole, coerente con la sua classe generica; 13) mantiene la sua funzionalità e la sterilità di una mensola ragionevole vita prima dell'impianto. "11. Alcuni dei difetti delle protesi valvolari esistenti possono potenzialmente essere superato da una valvola di polimero. polimeri biocompatibili sono stati considerati migliori candidati sulla base biostabilità, anti-idrolisi, anti-ossidazione, e le proprietà meccaniche vantaggiose come ad alta resistenza e viscoelasticità., in particolare, i polimeri elastomerici possono prevedere la deformazione del materiale simile dinamica della valvola nativa. elastomeri può essere adattato per simulare le proprietà dei tessuti molli, e possono essere i soli materiali artificiali disponibili che sono bio-tollerante e in grado di sopportare l'accoppiata, in vivo, fluido sollecitazioni indotte, flessione e trazione, tuttavia, si muovono in maniera simile sano,movimento della valvola nativa. Inoltre, elastomeri può essere prodotto in una varietà di formati, archiviati con facilità, si pensa che sia i dispositivi di costo-efficacia e può essere strutturalmente aumentata con rinforzo fibroso.

Il concetto di uso di materiali polimerici per assemblare una valvola tri-foglio non è nuova ed è stata oggetto di numerose ricerche cliniche negli ultimi 50 anni 12, che sono stati abbandonati gran parte dovuto durevolezza valvola limitata. Tuttavia, con l'avvento di nuove metodologie di produzione 13,14, il rinforzo di materiali polimerici 15,16 e l'integrazione senza soluzione di polimero potenzialmente sostituti valvole e con tecnologia valvola transcatetere, vi è stato recentemente un rinnovato interesse e di attività per lo sviluppo di valvole di polimeri come potenzialmente valida alternativa alle valvole commerciali attualmente disponibili. In questa luce, un protocollo per consentire collaudo di tali valvole per valutare la funzionalità idrodinamica è il primo passonel processo di valutazione; ancora i sistemi di simulazione di impulsi disponibili in commercio in genere non sono attrezzato per ospitare tri-opuscolo disegni valvole e contengono una spaziatura anulare di inserire valvole cardiache disponibili in commercio (ad esempio disco inclinabile, bi-leaflet valvole cardiache meccaniche). In secondo luogo, le valvole di polimero sono una tecnologia emergente il cui idrodinamica può essere valutato solo in un contesto relativo. Anche se il cuore nativo pressione valvola e dati di flusso è disponibile, è importante condurre test di valvole aortiche native suina, biologicamente simili a valvole umani, utilizzando lo stesso simulatore pulsatile che viene utilizzato per valutare le valvole polimeriche in modo da tener conto di differenze di misurazione che possono essere dipendente dal sistema. Pertanto, l'obiettivo di questo studio era di dimostrare come un simulatore di impulsi disponibile in commercio può essere dotato di un gruppo di ospitare valvola tri-opuscolo costrutti e di valutare sistematicamente polimeriche valvole idrodinamiche metriche in un cont relativaext in confronto ad suina cuore controparti valvola meccanica e nativi. Nel nostro caso, nuovi tri-opuscolo valvole di polimero di silicone precedentemente sviluppato presso l'Università della Florida, 13 compreso il gruppo valvola di polimero.

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Protocollo

1. Preparazione

  1. Progettare e fabbricare un assieme per ospitare una geometria valvola tri-foglio. Questo sarà come minimo includere un supporto valvola di sutura-nei lembi della valvola ed un tubo per ospitare il titolare valvola e accessori circostanti per fissare il gruppo sul sistema di duplicazione di impulso. Nel nostro caso, abbiamo utilizzato un sistema di duplicazione di impulsi disponibile in commercio disponibile da ViVitro Labs Inc. (Victoria, BC). Disegno del supporto della valvola così come le configurazioni di pre e post montaggio sono descritte nella Figura 1.
  2. L'intero ciclo dovrà essere trattato con primer prima dell'uso. Questo comporta due fasi: i) la pulizia di tutto il sistema ciclo usando soluzione di acqua e sapone, compresa la sostituzione di qualsiasi provetta degradate prima dell'uso e ii) la taratura degli strumenti collegati al loop, cioè la pompa utilizzata, la sonda di mandata, e i trasduttori di pressione (generalmente misurata a atriale, aortica e ventricolare sedi). La calibrazione può initbuona resa eseguire utilizzando soluzione fisiologica 1% e deve essere ripetuto prima di usare sangue-analogico soluzione di glicerina.

2. Nativo della valvola aortica Dissezione

  1. Ottenere 4 freschi cuori di maiale con l'aorta intatto da un USDA macello (Institutional Animal Care ed uso Comitato (IACUC) approvazione può essere richiesto). Nel nostro caso, il nostro protocollo di dissezione è stato approvato dal IACUC presso la Florida International University (protocollo numero di omologazione: 11-020). Sciacquare il cuore con acqua deionizzata e metterla in un recipiente pieno di antimicotico / antibiotico e sterile fosfato 1% soluzione salina tamponata (PBS), soluzione e il trasporto sul ghiaccio per il laboratorio di analisi idrodinamica.
  2. Mettere i cuori in una padella dissezione e rimuovere con attenzione il pericardio. Posizionare il cuore in modo tale che faccia ventrale si sta affrontando. Controllare visivamente e identificare le quattro camere del cuore e individuare l'arco aortico sull'aorta intatta.
  3. Separare il cuore in two dimezza tagliando attraverso orizzontalmente a circa 0,75 nel seguito l'annulus, cioè la giunzione tra l'aorta e il ventricolo sinistro. Isolare accuratamente l'aorta intatta ancora attaccato al segmento di tessuto ventricolare sinistra.
  4. Esaminare la valvola aortica si trova nella radice aortica, la regione tra l'aorta ascendente e l'annulus inferiore, garantendo che non vi è alcun danno o segni di calcificazione.
  5. Dividere dell'aorta a ~ 1 supra dell'anulus e separare il segmento tessuto ventricolare sinistro sotto l'annulus da isolare la valvola aortica (Figura 2a).

3. Polymer e nativi Processo sutura Valve

  1. Posizionare la valvola cardiaca all'interno del supporto valvola tale che la base di ogni valvola allinea con la base del palo titolare. Fissare la valvola in posizione di ogni post temporaneamente con una graffetta, ma attenzione a non danneggiare le commissure o le cuspidi.
  2. Inserire la sutura nelladell'ago. Iniziare sutura sul fondo del titolare valvola facendo passare l'ago attraverso il primo foro, dall'esterno verso l'interno in modo che l'ago può essere estratto dal fondo. In modo loop, avviare la sutura della valvola verticalmente i pali del titolare della valvola.
  3. Progressi con sutura (Figura 2b) lungo la circonferenza del supporto e fissare con sutura aggiuntivo intorno le punte dei messaggi titolare. Graffette (figura 2c) possono essere rimossi quando la valvola è completamente garantita con suture ai 3 posti e alla circonferenza del supporto della valvola (figure 2d e 2e).

4. La valutazione idrodinamica

Nota: protocollo effettiva varia a seconda del sistema di duplicazione di impulso specifico utilizzato. Tutte le informazioni caontained qui utilizzato il ViVitro Pulse Duplicator Sysytem (ViVitro Labs, Inc., Vancouver, BC).

  1. Bi-volantino vaLVE
    1. Impostare la frequenza cardiaca del sistema di duplicazione di impulsi a 70 battiti / min.
    2. Selezionare una forma d'onda di flusso per azionare la pompa (nel caso del sistema ViVitro la forma d'onda S35 è stata scelta per tutti i test idrodinamici). La forma d'onda specifica utilizzata nei nostri esperimenti è illustrato da (2001) Lim et al. 17.
    3. Accendere amplificatore e pompa a pistoni. Riscaldare per 15 minuti.
    4. Luogo valvola bi-leaflet (figura 2f) in posizione aortica.
    5. Spalmare grasso per vuoto su tutti i nodi del dispositivo su cui potrebbero verificarsi perdite.
    6. Versare glicerina / liquido salina nel vano atriale. Notare che il sistema di duplicazione pulsatile gira su 2 L di liquido con: 35% / 0,7 L glicerina e 65% / 1,3 L di soluzione salina. La soluzione salina è preparato utilizzando sale comune ben disciolto in acqua deionizzata alla concentrazione di 9 mg / ml (peso / volume).
    7. Accendere il trasduttore di flusso che è stato inserito nella posizione aortica.
    8. Calibrare Thpompa e.
    9. Procedere con la calibrazione del trasduttore di flusso seguito dai trasduttori di pressione. Analogamente alla pompa, è sufficiente seguire le istruzioni fornite dal software ViVitest (ViVitro Labs Inc.) per ogni flusso e la pressione sotto la scheda calibrare.
    10. Una volta completata la calibrazione, avviare la pompa ad un basso numero di giri fino a quando il liquido riempie il vano aortica. Controllare eventuali perdite. Utilizzare ulteriore grasso per vuoto, se necessario.
    11. Ruotare i due rubinetti di arresto (aortica e trasduttori ventricolari) in posizione aperta.
    12. Aumentare il numero di giri della pompa fino a quando il volume della corsa raggiunge 80 ml / battito.
    13. Permettere al sistema di funzionare per 10 minuti fino a quando il flusso si è stabilizzato. Stabilizzazione del flusso può essere verificato osservando il flusso e la pressione forme d'onda visualizzate nella schermata. Basso a nullo variazione tra i cicli è un buon indicatore della stabilizzazione del sistema.
    14. Nel software ViVitest selezionare la modalità di acquisizione.
    15. Clicca su raccogliere 10 cicli.
    16. Dalla modalità analizzare, cleccare sul tavolo e salvare il file. Anche salvare un'immagine delle forme d'onda utilizzando l'opzione di foto-snap in ViVitest.
  2. Valvole native e Polymer
    1. Per valvole di polimeri e animale, seguire la stessa procedura 3.1.1 - 3.1.3 delle istruzioni della valvola bi-leaflet.
    2. Posizionare il supporto della valvola con la valvola di sutura all'interno del tubo di vetro dal gruppo su misura. Sandwich il tubo con i pezzi superiore e inferiore e sicure sul posto con viti laterali e dadi.
    3. Luogo di montaggio tra la camera aortica e il titolare della valvola aortica originale.
    4. Continuare con i passaggi 3.1.5 - 3.1.16 dalle istruzioni della valvola bi-leaflet.

5. Post Processing

  1. Portata e forme d'onda di pressione
    1. Media i dati raccolti per ciascuna delle forme d'onda raccolta, vale a dire pressione aortica (AP), pressione ventricolare (VP) e portata (Q).
    2. Per ciascun gruppo di valvola (polimero, suina nvalvola aortica ative e bi-foglio illustrativo), tracciare la corrispondente AP, VP e Q rispetto a relazioni di tempo sullo stesso appezzamento.
    3. Per l'AP, sovrapporre, valvola aortica nativa normale 18, e bi-leaflet protesi valvolare 19 appezzamenti dalla letteratura per la convalida.
  2. Parametri idrodinamici
    1. Per ogni valvola testata, i seguenti parametri idrodinamici devono essere calcolati: a) Caduta di pressione del flusso e della pressione transvalvolare massima (TVP), b) la radice aortica quadratico medio (RMS) portata avanti, c) il flusso in avanti aortica, chiusura, perdite e totale volume di rigurgito, d) valvola di fine area dell'orifizio (EOA), e) transaortico avanti di flusso, di chiusura, di dispersione e le perdite di energia totale.
      1. Caduta di pressione del flusso è calcolato da letture di TVP e possono essere classificati in tre intervalli di tempo, P: intervallo che inizia e finisce con 0 TVP, F: intervallo con mandata e H: intervallo inizia con 0 TVP e termina con 0 flusso. Massima TVP è la magradiente di pressione ximum registrata attraverso la valvola aortica e dalla lettura della pressione ventricolare.
      2. La RMS portata avanti (Q RMS) fornisce un parametro utile per quantificare l'entità della portata avanti nel modo seguente:
        figure-protocol-1
        Dove 'n' è il numero totale di punti di tempo raccolto, 'Q i' è la misura di portata istantanea raccolte per 'i'.
      3. Il aortica in avanti, di chiusura e di dispersione dei volumi sono calcolati in base ai seguenti intervalli di tempo, Attacco: inizio di flusso in avanti attraverso la valvola (t o), alla fine del flusso in avanti (t 1); Chiusura: da t 1 fino all'istanza Valvola di chiusura (t 2); dispersione: da t 2 fino alla fine del ciclo cardiaco (t 3). Volume di rigurgito totale è semplicemente la somma di closing e volumi di dispersione.
      4. L'EOA in base alle proprietà del sangue può essere calcolato per i 3 intervalli, P, F e H della TVP media durante ciascuno di questi periodi come 20:
        figure-protocol-2
      5. Perdite di energia sono definiti come segue 21:
        figure-protocol-3

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Risultati

Flusso rappresentativo e forme d'onda di pressione sono mostrate nelle figure 3, 4 e 5. Le trame sono state una media di oltre la dimensione del campione di valvole testate per ogni gruppo, che è stato, n = 5, 4, e 2 valvole per polimero, suini nativa e gruppi bi-volantino, rispettivamente. Le metriche idrodinamico e l'errore standard della media di queste dimensioni del campione sono presentati nella tabella 1.

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Discussione

In questo studio, abbiamo dimostrato l'utilità di modifica di una unità duplicatore pulsatile disponibile in commercio per accogliere valvola tri-opuscolo geometrie in modo che il test idrodinamico del polimero e valvole suine autoctone può essere eseguita. In particolare, nel nostro caso, il sistema è stato modificato un cuore sinistro ViVitro e sistema simulatore sistemica (Figura 1a) controllato tramite il sistema di acquisizione dati ViViTest (ViVitro Systems, Inc, Victoria, BC, Canada). Tuttavi...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Una sovvenzione seme della University of Florida - College of Medicine è riconosciuto con gratitudine. Studi universitari (Manuel Salinas) sono stati sostenuti attraverso una opportunità di minoranza di programmi di ricerca biomedica - iniziativa di ricerca per la valorizzazione scientifica (MBR-RISE) borsa: NIH / NIGMS R25 GM061347. Il sostegno finanziario della Wallace H. Coulter Fondazione attraverso la Florida International University, Dipartimento di Ingegneria Biomedica è anche riconosciuto con gratitudine. Infine, gli autori ringraziano i seguenti studenti per la loro assistenza durante le varie fasi del processo sperimentale: Kamau Pier, Malachia Suttle, Kendall Armstrong e Abraham Alfonso.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
PompaViVitro Labshttp://vivitrolabs.com/products/superpump/
Misuratore di portata e sondaCarolina MedicalModel 501Dhttp://www.carolinamedicalelectronics.com/ documenti/FM501.pdf
Trasduttore di pressioneViVitro LabsHCM018
Gruppo di misurazione della pressione ViVitroLabs6186
Supporto valvolaWB EngineeringProgettato dalla Florida International University. Prodotto da WB Engineering
Duplicatore di impulsiViVitro LabsPD2010http://vivitrolabs.com/wp-content/uploads/Pulse-Duplicator-Accessories1.pdf
Duplicatore di impulsi Sistema di acquisizione e controllo dei dati, incluso il softwareViViTest ViVitro LabsPDA2010http://vivitrolabs.com/products/software-daq
Cuori suini e valvole aortiche nativeMary' s Ranch Inc
Valvole meccaniche a due fogliettiSaint Jude Medicalhttp://www.sjm.com/
Grasso per alto vuotoDow Corning Corporationhttp://www1.dowcorning.com/DataFiles/ 090007b281afed0e.pdf
GlicerinaMcMaster-Carr3190K29399% Naturale 5 gal
Fosfato Tamponato Soluzione Salina (PBS)Fisher Scientific MT21031CV100 ml/cuore
Soluzione Antimicotica/AntibioticaFisher Scientific SV30079011 ml in 100 ml di PBS/cuore; 20 ml per ViVitro System
NaClSigma-AldrichS3014-500G9 g/L di acqua deionizzata
Acqua deionizzataEMD Millipore ChemicalsSistema di purificazione deionizzato Millipore. 1,3 L per il sistema ViViVi, 200 ml per il processo di dissezione delle valvole cardiache

Riferimenti

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