Protocollo per la relativa valutazione idrodinamica del Tri-volantino Polymer Valvole
17 ottobre 2013
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.
L'obiettivo generale del seguente esperimento è dimostrare in che modo un duplicatore del polso in vitro disponibile in commercio possa adattarsi a nuove protesi valvolari cardiache polimeriche a tre lembi e valutarne le metriche emodinamiche. Ciò viene ottenuto assemblando un supporto per tubo e valvola in grado di accogliere una configurazione valvolare a tre lembi nel duplicatore del polso. Come secondo passaggio, le valvole polimeriche vengono suturate al loro posto e testate per misurare le loro metriche emodinamiche. Vengono inoltre testate valvole porcine native e valvole cardiache meccaniche per convalidare le modifiche hardware del sistema alla progettazione meccanica della valvola sintetica.
I risultati mostrano che il sistema modificato di duplicazione degli impulsi può essere utilizzato per valutare valvole polimeriche con emodinamica di valvole porcine native e meccaniche, fornendo così informazioni sugli aspetti funzionali della progettazione delle valvole polimeriche. In generale, le persone nuove rispetto a questo metodo possono confondersi poiché le tecniche sono laboriose e vi sono molti concetti relativi alle metriche emodinamiche necessari per una valutazione approfondita della protesi valvolare, concetti che normalmente non vengono insegnati nei tradizionali corsi di ingegneria. Le implicazioni di questa tecnica si estendono allo sviluppo funzionale delle tecnologie emergenti per protesi valvolari cardiache, poiché la valutazione emodinamica fornisce informazioni su come migliorare ulteriormente le caratteristiche di progettazione della protesi valvolare har, insieme a Manuel.
Che lo assiste. In questa dimostrazione sarà presente Carl Lande bro, studente universitario nel mio laboratorio. Questo protocollo inizia con la fabbricazione dell'assemblaggio.
Questo include un supporto per valvola utilizzato per suturare le cuspidi valvolari, un tubo impiegato per alloggiare il supporto della valvola e gli accessori circostanti che fissano l'insieme al sistema duplicatore di polso. È inoltre necessario un sistema duplicatore di polso disponibile in commercio. Prima del primo utilizzo del sistema, occorre iniettare il liquido nell'intero circuito. Pulire il sistema del circuito con sapone e acqua.
Durante questo processo, sostituire eventuali tubi degradati. Successivamente, calibrare gli strumenti collegati al circuito, ovvero la pompa, la sonda di flusso e i trasduttori di pressione. La calibrazione inizia con una soluzione salina al 1%, seguita da una soluzione analogo al sangue a base di glicerina.
Calibrare tipicamente questi strumenti per effettuare misurazioni a livello atriale, aortico e ventricolare. Una volta calibrati, procedere con la preparazione delle valvole. Ottenere quattro cuori di maiale freschi con l'aorta integra da un macello autorizzato A-U-S-D-A.
Disimballare e sciacquare un cuore con acqua deionizzata e posizionarlo in un contenitore riempito con antibiotico antimicotico all'1% in PBS su ghiaccio. Trasportarlo nel laboratorio per i test idrodinamici. Posizionare uno dei cuori in un vassoio da dissezione e rimuovere con attenzione il pericardio.
Osservando il lato ventrale, esaminare le quattro camere e individuare l'arco aortico sull'aorta integra. Quindi dividere il cuore in due metà. Effettuare un taglio orizzontale a tre quarti di pollice al di sotto dell'anello, al punto di giunzione tra l'aorta e il ventricolo sinistro, ed isolare l'aorta integra attaccata al segmento di tessuto del ventricolo sinistro.
Esaminare la valvola aortica situata alla radice aortica per verificare eventuali danni o calcificazioni. Questa è la regione compresa tra l'aorta ascendente e l'anello inferiore. Se presenta un aspetto normale, praticare un'incisione nell'aorta a circa 2,5 cm al di sopra dell'anello; in caso contrario, scartare il tessuto.
Quindi separare il segmento di tessuto del ventricolo sinistro al di sotto dell'anello per isolare la valvola aortica con la valvola isolata. Procedere con la sutura per fissare la valvola al supporto. Innanzitutto, posizionarla all'interno del supporto valvolare.
Allineare la base della valvola con la base del supporto. Quindi fissare temporaneamente la valvola con una graffetta. Fare attenzione a non danneggiare la commessura o le cuspidi.
Ora posizionare i punti di sutura nella parte inferiore del supporto della valvola. Far passare l'ago attraverso il primo foro e verso il basso, fino alla base. Quindi, in modo circolare, suturare la valvola al suo supporto lungo i pilastri.
Continuare la sutura lungo la circonferenza del supporto. Completare la sutura con un punto aggiuntivo intorno alle estremità dei perni per una maggiore sicurezza. Una volta effettuate le suture, fissare la valvola a tutti i perni.
Rimuovere il fermaglio in questa dimostrazione. Viene utilizzato un sistema duplicatore di impulsi in vitro. I passaggi saranno diversi con altri sistemi.
Iniziare la valutazione impostando la frequenza cardiaca del sistema a 70 battiti al minuto. Successivamente, selezionare un'onda di flusso per azionare la pompa, in questo caso l'onda S 35. Accendere ora l'amplificatore e la pompa a pistone e lasciarli riscaldare per 15 minuti.
Quando si testa una valvola bicuspidale, posizionarla nel sistema nella posizione aortica per una valvola suturata. In primo luogo, posizionarla all'interno del tubo di vetro per l'assemblaggio su misura inserendo il tubo tra le parti superiore e inferiore e fissarle con viti laterali. Abbiamo appena inserito la valvola polimerica.
Questa è la stessa procedura che utilizziamo per inserire la valvola nativa. Successivamente, posizionare l'insieme tra la camera aortica e il supporto originale della valvola aortica con la valvola in posizione, spalmando grasso da vuoto su tutte le giunzioni che potrebbero perdere. Poi, aggiungere due litri di soluzione di glicerina al 35% in soluzione salina al comparto atriale.
Ora che il sistema è stato riempito, il passaggio più importante è assicurarsi che tutti i componenti siano correttamente calibrati. Due persone lavorano insieme per configurare il sistema. Verificare ora che il trasduttore di flusso sia impostato per la posizione dell’aorta e accenderlo seguendo le istruzioni nella scheda di calibrazione del software, quindi calibrare la pompa, poi il trasduttore di flusso e infine i trasduttori di pressione.
Una volta completate le calibrazioni, avviare la pompa a un numero ridotto di giri fino a quando il fluido non riempie il compartimento aortico. Controllare la presenza di perdite e sigillarle con ulteriore grasso da vuoto. Ruotare le due valvole a due vie in posizione aperta.
Sono i trasduttori aortico e ventricolare. Aumentare i giri del pompa fino a quando il volume sistolico raggiunge 80 millilitri per battito. Consentire al sistema di funzionare per 10 minuti fino a quando il flusso si è stabilizzato.
Questo può essere verificato osservando sullo schermo le forme d'onda del flusso e della pressione. Quando non si osservano variazioni tra i cicli o queste sono molto ridotte, il sistema ha raggiunto la stabilizzazione. A questo punto, nel software di test VI, selezionare la modalità di acquisizione e fare clic su "acquisisci 10 cicli" nella modalità di analisi, quindi su "tabella" e salvare il file.
Inoltre, salvare un'immagine delle forme d'onda utilizzando la funzione di acquisizione fotografica. Opzione cinque: sono state confrontate quattro valvole polimeriche, quattro valvole porcine native e due valvole bicuspidi. La portata è stata misurata mediante un flussimetro elettromagnetico collegato a una sonda di flusso non invasiva posizionata nel punto di interfaccia tra la camera ventricolare e quella aortica.
La pressione ventricolare è stata misurata nella camera del ventricolo utilizzando un trasduttore di pressione a micro-punta sovrapposto a questa. I risultati riportano i valori per valvole con lembi nativi e B con un diametro di 29 millimetri, provenienti dalla letteratura.
La pressione aortica è stata misurata appena a valle della posizione della valvola aortica utilizzando un trasduttore di pressione a micro-punta. Ancora una volta, vengono riportati anche i valori precedentemente pubblicati per valvole con diametro di 29 millimetri. In sintesi, molti parametri sono stati calcolati a partire dalle misurazioni di flusso e pressione effettuate.
La dimensione delle valvole testate aveva un diametro medio di circa 22 millimetri per lembo. Le valvole erano difficili da reperire. Pertanto, la loro numerosità campionaria è ridotta.
Una volta padroneggiata questa tecnica, la preparazione del campione e la valutazione idrodinamica possono essere completate in circa due ore e mezza. Siamo riusciti a dimostrare, mediante un montaggio personalizzato da noi realizzato, un metodo che consente di alloggiare strutture valvolari a tre lembi o valvole polimeriche a tre lembi, per poi incorporare successivamente questi tipi di valvole o queste valvole polimeriche in un circuito pulsatile commerciale esistente, al fine di effettuare una valutazione idrodinamica funzionale. Allo stesso tempo, siamo stati in grado di dimostrare che possiamo confrontare oggettivamente queste valvole con una valvola nativa, che presenta anch'essa una geometria a tre lembi.
Nel nostro caso, utilizziamo valvole aortiche native di origine suina perché queste valvole sono molto simili alle valvole umane. Infine, seguendo queste procedure, possiamo esaminare anche altre aree di ricerca, come lo sviluppo di valvole su impalcatura assemblate che possono essere utilizzate per l'ingegneria tissutale e per applicazioni in campo valvolare cardiaco.
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Panoramica
Questo studio dimostra la fattibilità di modificare un duplicatore di polso commerciale per ospitare valvole cardiache polimeriche tri-leaflet. Definisce inoltre un protocollo per la valutazione di parametri emodinamici di queste valvole, in confronto con valvole native e meccaniche.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Ingegneria biomedica
- Dispositivi cardiovascolari
- Idrodinamica
Sfondo
- Le tecnologie emergenti per valvole cardiache in polimero richiedono una valutazione accurata.
- Le metriche emodinamiche sono fondamentali per valutare le prestazioni della valvola.
- I metodi esistenti potrebbero non coprire adeguatamente le complessità coinvolte.
- Comprendere queste metriche può portare a progetti migliorati di protesi.
Scopo dello studio
- Modificare un duplicatore di impulsi per la valutazione di valvole tri-leaflet.
- Stabilire un protocollo per la valutazione emodinamica.
- Confrontare valvole polimeriche con valvole native e meccaniche.
Metodi Utilizzati
- Assemblaggio di un supporto valvolare e di un tubo per configurazione a tre lembi.
- Cucitura delle valvole polimeriche e preparazione per i test idrodinamici.
- Calibrazione del sistema duplicatore di impulsi con soluzioni saline e glicerina.
- Prova di valvole porcine native e valvole meccaniche per la validazione.
Risultati principali
- Il duplicatore di impulsi modificato valuta efficacemente l'ematodinamica delle valvole polimeriche.
- Le informazioni ottenute possono guidare la progettazione futura di valvole polimeriche.
- Le difficoltà nella metodologia evidenziano la necessità di una formazione specializzata.
- Lo studio fornisce una base per ulteriori ricerche nei dispositivi valvolari protesici.
Conclusioni
- La valutazione idrodinamica è fondamentale per lo sviluppo delle valvole polimeriche.
- I sistemi modificati possono colmare le lacune delle attuali tecniche di valutazione.
- I futuri lavori dovrebbero concentrarsi sul perfezionamento di questi metodi per un'applicazione più ampia.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questo protocollo consente una valutazione idrodinamica precoce di valvole cardiache polimeriche tri-leaflet mediante un duplicatore di polso commerciale modificato, fornendo dati funzionali oggettivi per orientare le iterazioni di progettazione. Permettendo un confronto diretto con valvole native e meccaniche in condizioni identiche, riduce la variabilità delle misurazioni e supporta la riduzione dei rischi meccanicistici nello sviluppo di dispositivi cardiovascolari. L'approccio offre una piattaforma scalabile e riproducibile per valutare protesi valvolari emergenti durante le fasi di scoperta e preclinica.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Valore scientifico: Consente l'analisi di ipotesi progettuali delle valvole mediante metriche idrodinamiche quantitative in condizioni di flusso fisiologicamente rilevanti.
- Valore operativo: Fornisce un sistema standardizzato per la valutazione funzionale che riduce la variabilità tra diverse prove e tecniche operatorie.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera output riproducibili e quantitativi, come caduta di pressione, portata e volume rigurgitante, per la selezione comparativa delle valvole.
- Valore operativo: Favorisce la prontezza del saggio adattando un sistema commerciale per accogliere geometrie flessibili a tre lembi, consentendo il riutilizzo della piattaforma.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Favorisce la continuità traslazionale consentendo una valutazione comparativa dei valvole polimeriche rispetto ai riferimenti nativi suini e a quelli meccanici.
- Valore operativo: Permette decisioni di avanzamento corrette in base al rischio, fornendo dati oggettivi sulle prestazioni idrodinamiche già nelle fasi iniziali del ciclo di progettazione.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo metodo si integra nel processo di scoperta supportando la valutazione progettuale basata su ipotesi, consentendo lo screening quantitativo di prototipi di valvole e fornendo informazioni per la validazione preclinica attraverso un profilo idrodinamico confrontato con standard di riferimento.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi e la riduzione del rischio biologico misurando le prestazioni funzionali dei design delle valvole in un ambiente di flusso pulsatile controllato.
- Screening: Offre standardizzazione dei saggi e output idrodinamici quantitativi che permettono un confronto oggettivo tra diverse iterazioni della valvola.
- Analisi: Fornisce parametri misurabili, tra cui la caduta di pressione nel flusso diretto, la portata media quadratica nel flusso alla radice aortica, la dinamica di chiusura, le perdite e la perdita di energia, per l’analisi comparativa.
- Ricerca traslazionale: Collega la fase di scoperta al lavoro preclinico consentendo la validazione rispetto a valvole native e meccaniche di riferimento in condizioni di prova identiche.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una capacità di test idrodinamico riutilizzabile, applicabile in diverse campagne di progettazione di valvole senza necessità di sviluppare sistemi personalizzati.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nella progettazione delle valvole fornendo dati idrodinamici oggettivi e confrontabili tra diversi tipi di valvole.
- Valore operativo: Migliora la riproducibilità e la standardizzazione attraverso un sistema commerciale modificato con passaggi definiti di calibrazione e preparazione.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento o interruzione del progetto riducendo il rischio biologico in fasi avanzate mediante una riduzione precoce del rischio funzionale nei prototipi di valvole polimeriche.
- Impatto sul portafoglio: Consente una priorizzazione delle progettazioni delle valvole adeguata al rischio, basata su prestazioni idrodinamiche quantificabili rispetto a parametri di riferimento consolidati.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specialistiche in idrodinamica cardiovascolare, tecniche di sutura delle valvole e utilizzo del sistema duplicatore di polso.
- Presuppone l'accesso a un sistema duplicatore di polso commerciale modificabile per ospitare valvole con tre lembi.
- Necessita di una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro riguardo alle procedure di preparazione delle valvole, di sutura e di calibrazione del sistema.
- Comporta considerazioni di adattamento quando il protocollo viene applicato a diversi materiali polimerici, dimensioni delle valvole o condizioni di flusso.
- È limitato dalla complessità tecnica dell'allestimento e dalla necessità di una formazione specializzata nell'interpretazione delle metriche idrodinamiche.
