Protocol voor Relatieve Hydrodynamische Beoordeling van Tri-folder Polymer Valves

Samenvatting

Is er hernieuwde belangstelling voor het ontwikkelen polymeer kleppen. Hier, de doelstellingen zijn om de haalbaarheid van het wijzigen van een commerciële impuls duplicator aan tri-folder geometrieën tegemoet en een protocol te definiëren polymeer ventiel hydrodynamische gegevens te presenteren in vergelijking met autochtone en kunstklep data onder bijna-identieke omstandigheden verzameld demonstreren.

Samenvatting

Beperkingen van de momenteel beschikbare kunstkleppen, xenografts en homografts hebben geleid tot een recente heropleving van de ontwikkelingen op het gebied van de tri-folder polymeer ventiel prothesen. Echter, de identificatie van een protocol voor de eerste evaluatie van de polymeer ventiel hydrodynamische functionaliteit staat voorop tijdens de vroege stadia van het ontwerpproces. Traditionele in vitro puls duplicator systemen zijn niet geconfigureerd om flexibel tri-folder materialen geschikt, daarnaast beoordeling van polymeer ventiel functionaliteit moet worden gemaakt in een relatieve context aan inheemse en prothetische hartkleppen onder identieke testomstandigheden zodat variabiliteit in de metingen van verschillende instrumenten kunnen worden vermeden. Daarom voerden wij hydrodynamische beoordeling van i) natuurlijke (n = 4, gemiddelde diameter D = 20 mm), ii) bi-leaflet mechanische (n = 2, D = 23 mm) en iii) polymeer kleppen (n = 5, D = 22 mm) door het gebruik van een in de handel verkrijgbaar systeem voor reproductie puls (ViVitro LabsInc, Victoria, BC) die werd gewijzigd om tri-folder klep geometrieën tegemoet. Tri-folder siliconen kleppen ontwikkeld aan de Universiteit van Florida bestaat uit het polymeer ventiel groep. Een mengsel in de verhouding 35:65 glycerine water werd gebruikt om bloed fysische eigenschappen bootsen. Ogenblikkelijk debiet gemeten bij het grensvlak van de linker ventrikel en aorta eenheden terwijl de druk werd geregistreerd bij de ventriculaire en aorta posities. Bi-folder en inheemse klep gegevens uit de literatuur werd gebruikt om de stroom en druk metingen te valideren. De volgende hydrodynamische metrics werden gemeld: forward flow drukval, aorta root mean square forward debiet, aorta sluiten, lekkage en regurgitant volume, transaortale sluiten, lekkage, en de totale energie verliezen. Representatieve resultaten gaven aan dat hydrodynamische metrieken uit de drie kraangroepen succes zou kunnen worden verkregen door het opnemen van een custom-built assemblage in een commercieel beschikbare puls systeem voor reproductie en subsequently, objectieve vergelijking met inzichten over de functionele aspecten van het polymeer klepontwerp bieden.

Inleiding

Hartklepaandoeningen vaak het gevolg van degeneratieve ventiel verkalking ^1, reumatische koorts ^2, endocarditis ^3,4 of aangeboren afwijkingen. Als afsluiter schade ontstaat, waardoor stenose en / of regurgitatie klepverzakking en kan niet operatief worden hersteld, wordt de inheemse klep meestal vervangen door een kunstklep. Momenteel beschikbare opties omvatten mechanische kleppen (kooi-kogelafsluiters, kantelen schijf kleppen, enz.), Homograft en bioprothetische kleppen (varkens en runderen kleppen). Mechanische kleppen zijn vaak aanbevolen voor jongere patiënten op basis van hun duurzaamheid, maar de patiënt is vereist op antistollingsbehandeling te voorkomen trombotische complicaties ⁵ te blijven. Homograft en biologische kunstkleppen zijn effectieve keuzes te bloedverdunner therapie te voorkomen geweest, maar deze kleppen hebben verhoogd risico op fibrose, verkalking, degeneratie, en immunogeen complicaties die leiden tot ventiel falen ⁶. Tissue-engineered kleppen worden onderzocht als een opkomende technologie ^7-9, maar er blijft nog veel te worden ontdekt. Alternatief duurzaam, biocompatibel, prothetische kleppen nodig om de kwaliteit van leven van de hartklep ziekte patiënten. Nogmaals, kan deze klep ontwerp vervangt de bioprothese gebruikt in transkatheterklep technologie, met transcatheter benaderingen tonen het potentieel voor het transformeren van de behandeling van geselecteerde patiënten met ziekte van de hartklep ^10.

Zoals aangegeven door de huidige normen, moet een succesvolle hartklep vervangende de volgende prestatiekenmerken: "1) laat forward flow met aanvaardbaar klein gemiddelde drukverschil druppel; 2) voorkomt retrograde stroom met aanvaardbaar klein oprispingen; 3) weerstaat embolisatie; 4) weerstaat hemolyse; 5) weerstaat stolselvorming; 6) is biocompatibel, 7) is compatibel met de in vivo diagnostische technieken; 8) is leverbaar en implanteerbare in het doelbevolking, 9) vast blijft eenmaal geplaatst, 10) een aanvaardbare geluidsniveau, 11) heeft reproduceerbare functie, 12) zijn functionaliteit behoudt een redelijke levensduur, in overeenstemming met de generieke klasse; 13) handhaaft de functionaliteit en steriliteit voor een redelijke plank life vóór implantatie. ^'11. Sommige van de tekortkomingen van bestaande klepprothesen kan mogelijk worden opgelost door een polymeer klep. biocompatibel polymeren beschouwd topkandidaten basis van biologische stabiliteit, anti-hydrolyse, anti-oxidatie en voordelige mechanische eigenschappen zoals hoge sterkte en visco-elasticiteit. Met name kunnen elastomere polymeren materiaalvervorming lijken natieve klep dynamiek verschaffen. Elastomeren worden aangepast aan zacht weefsel eigenschappen nabootsen en kunnen de enige kunstmatige materialen beschikbaar die bio-tolerant en dat de gekoppelde kan weerstaan, in vivo, vloeistof-geïnduceerde, buig-en trekspanningen, maar toch, bewegen op een manier die lijkt op gezonde,inheemse klep beweging. Bovendien kunnen elastomeren massa geproduceerd in verschillende maten, opgeslagen met gemak, verwacht kosteneffectief apparaten en kan structureel worden aangevuld met vezelversterking.

Het concept van het gebruik van polymere materialen om een tri-folder afsluiter monteren is niet nieuw en is het onderwerp geweest van een aantal onderzoeks-onderzoeken in de afgelopen 50 jaar ^12, die grotendeels te wijten aan beperkte klep duurzaamheid werden verlaten. Echter, met de komst van nieuwe fabricagemethoden ^13,14, versterking van polymeermaterialen ^15,16 en potentieel naadloze integratie polymeer ventiel produkten met transkatheterklep technologie, is er recentelijk een hernieuwde interesse en activiteit in ontwikkeling polymeer kleppen als een mogelijk geweest alternatief voor beschikbare commerciële kleppen. In dit licht is een protocol voor het inschakelen van het testen van deze kleppen om hydrodynamische functionaliteit beoordelen is de eerste stapin het evaluatieproces; nog commercieel beschikbare puls simulator systemen over het algemeen niet uitgerust om tri-folder klepontwerpen tegemoet te komen en bevatten een ringvormige tussenruimte aan commercieel beschikbare hartkleppen (bijv. kantelen schijf, bi-folder mechanische hartkleppen) plaatst. Ten tweede, polymeer kleppen zijn een opkomende technologie waarvan de hydrodynamica kan alleen worden beoordeeld in een relatieve context. Hoewel natieve hartklep druk en debiet gegevens beschikbaar, is het belangrijk te testen eigen aortische kleppen varkens, die biologisch op humane kleppen voeren met dezelfde pulserende simulator die wordt gebruikt om het polymeer kleppen dient te evalueren om rekening te houden waarderingsverschillen die kan zijn systeem afhankelijk. Dus het doel van deze studie was om aan te tonen hoe een commercieel verkrijgbaar puls simulator kan worden uitgerust met een samenstel tri-bijsluiter klep constructen vangen en polymeer klep hydrodynamische metrics in relatieve cont systematische evaluatieext in vergelijking met mechanische en inheemse varkens hartklep tegenhangers. In ons geval, nieuwe tri-folder siliconepolymeer kleppen eerder ontwikkeld aan de Universiteit van Florida ¹³ omvatte het polymeer ventiel groep.

Protocol

1. Voorbereiding

1. Ontwerpen en fabriceren van een samenstel van een tri-folder afsluitergeometrie tegemoet. Dit zal ten minste met een klep houder hechtdraad in de klepbladen en een buis om de klep houder en de omliggende accessoires huisvesten aan de vast te zetten op de pols systeem voor reproductie. In ons geval hebben we gebruik gemaakt van een commercieel beschikbare puls systeem voor reproductie beschikbaar van ViVitro Labs Inc (Victoria, BC). Klephouder ontwerp evenals voor en na montage configuraties zijn afgebeeld in figuur 1.
2. De hele lus zal moeten voorafgaand aan gebruik worden geprepareerd. Dit omvat twee stappen: i) het reinigen van het gehele lussysteem met zeepoplossing en water, inclusief het vervangen van aangetaste buizen voor gebruik en ii) de kalibratie van instrumenten die de lus, namelijk de pomp wordt gebruikt, is de stromingsonde en de drukopnemers (gewoonlijk gemeten atriale en ventriculaire aorta locaties). Kalibratie kan initially worden uitgevoerd met 1% zoutoplossing en moet worden herhaald voorafgaand aan het gebruik bloed analoge glycerine oplossing.

2. Inheemse Aortaklep Dissection

1. Krijgen 4 verse varken harten met de aorta intact uit een USDA goedgekeurde slachthuis (Institutional Animal Care en gebruik Comite (IACUC) goedkeuring kan nodig zijn). In ons geval werd onze dissectie protocol goedgekeurd door de IACUC aan de Florida International University (Protocol Goedkeuring nummer: 11-020). Het hart spoelen met gedemineraliseerd water en plaats het in een bakje gevuld met de 1% antimycotisch / antibiotica en steriele fosfaat gebufferde zoutoplossing (PBS)-oplossing en het vervoer op het ijs om de hydrodynamische testlaboratorium.
2. Plaats harten in een dissectie pan en verwijder voorzichtig het hartzakje. Positioneer het hart zodanig dat ventrale zijde naar u toe. Visueel inspecteren en identificeren van de vier kamers van het hart en zoek de aortaboog op de intacte aorta.
3. Scheid het hart in two helften door dwars door horizontaal op ongeveer 0,75 in onder de annulus, dwz de verbinding tussen de aorta en de linker hartkamer. Isoleren van de intacte aorta nog aan de linker ventrikel weefselsegment zorgvuldig.
4. Onderzoek de aortaklep in de aortawortel, het gebied tussen de omhooggaande aorta en de onderste ring, zodat er geen schade of tekenen van calcificatie.
5. Splits de aorta ~ 1 hierboven de annulus en scheid de linker ventrikel weefselsegment onder de annulus van de aortaklep (figuur 2a) te isoleren.

3. Polymeer en Inheemse Valve Hechten Process

1. Plaats de hartklep in de klephouder zodanig dat de basis van elke klep uitgelijnd met de basis van de functionaris. Zet de klep op zijn plaats bij elke post tijdelijk met een paperclip, maar wees voorzichtig dat u de commissuren of de knobbels beschadigen.
2. Plaats de hechtdraad in denaald. Begin hechten aan de onderkant van de klephouder door het passeren van de naald door het eerste gat, van buiten naar binnen, zodat de naald gemakkelijk kan worden getrokken uit de bodem. In een looping mode, start hechten van de klep verticaal op de berichten van de klep houder.
3. Voortgang hechten (figuur 2b) langs de omtrek van de houder en veilig extra hechting rond de uiteinden van de houder posten. Paperclips (figuur 2c) kan worden verwijderd wanneer de klep volledig vastgezet met hechtingen aan de posten 3 en aan de omtrek van de klephouder (Figuren 2d en 2e).

4. Hydrodynamische Evaluatie

Opmerking: de protocol zal variëren afhankelijk van de specifieke impuls systeem voor reproductie gebruikt. Alle informatie caontained hier gebruikt de ViVitro Pulse Duplicator Sysytem (ViVitro Labs, Inc, Vancouver, BC).

1. Bi-leaflet valve
   1. Set hartslag van pulse systeem voor reproductie tot 70 slagen / min.
   2. Selecteer een golfvorm van de pomp (in het geval van het systeem ViVitro de golfvorm S35 gekozen voor hydrodynamische tests) rijden. De specifieke golfvorm gebruikt in onze experimenten wordt toegelicht door Lim et al.. (2001) ^17.
   3. Zet de versterker en zuigerpomp. Opwarmen gedurende 15 minuten.
   4. Place bi-bijsluiter klep (figuur 2f) in de aortaklep.
   5. Uitstrijkjes vacuüm vet op alle kruispunten van het apparaat waarop lekkages kunnen optreden.
   6. Giet glycerine / zoute vloeistof in de atriale compartiment. Merk op dat het pulserende duplicator systeem draait op 2 L van vloeistof met: 35% / 0,7 L glycerine en 65% / 1.3 L van de zoutoplossing. De zoutoplossing wordt bereid met keukenzout goed opgelost in gedeïoniseerd water bij een concentratie van 9 mg / ml (gewicht / volume).
   7. Zet de stroomomzetter die is geplaatst in de aortaklep.
   8. Kalibreren the pomp.
   9. Ga verder met de stroomomzetter kalibratie gevolgd door de druksensoren. Net zoals bij de pomp, volgt u gewoon de instructies van de ViVitest software (ViVitro Labs Inc) voor elke stroomsnelheid en druk onder het tabblad kalibreren.
   10. Nadat de kalibratie is voltooid, start de pomp bij een laag toerental totdat de vloeistof vult de aorta compartiment. Controleer op lekkage. Gebruik extra vacuüm vet indien nodig.
   11. Draai de twee stop-hanen (aorta en ventriculaire transducers) tot stand te openen.
   12. Verhoog het toerental van de pomp totdat het slagvolume 80 ml / slag bereikt.
   13. Toestaan ​​dat het systeem te lopen voor 10 min, totdat stroom gestabiliseerd is. Flow stabilisatie kan worden geverifieerd door het observeren van de stroom en druk golfvormen weergegeven op het scherm. Lage tot geen variatie tussen cycli is een goede indicator van het systeem stabiliseren.
   14. In de ViVitest software selecteert verwerven modus.
   15. Klik op het verzamelen van 10 cycli.
   16. Uit de analyse van de modus, clik op tafel en sla het bestand op. Ook bespaart een beeld van de golfvormen met behulp van de optie foto-snap in ViVitest.
2. Inheemse en Polymer kleppen
   1. Voor polymeer en dierlijke kleppen, volgt u dezelfde stappen 3.1.1 - 3.1.3 van de bi-folder instructies voor de afsluiter.
   2. Plaats de klep houder met de gehecht klep in de glazen buis van de op maat gemaakte montage. Sandwich de buis met de bovenste en onderste stukken en beveiligd-plaats met laterale schroeven en moeren.
   3. Plaats de montage tussen de aorta-kamer en de originele aortaklep houder.
   4. Ga verder met de stappen 3.1.5 - 3.1.16 van de bi-folder instructies voor de afsluiter.

5. Nabewerking

1. Flow en druk golfvormen
   1. De gemiddelde verzameld voor elk van de golfvormen verzameld, namelijk aortadruk (AP), ventriculaire druk (VP), en de stroomsnelheid (Q) gegevens.
   2. Voor elke klep (polymeer, varkens ntieve aortaklep en bi-folder), plot de bijbehorende AP, VP en Q versus de tijd relaties op hetzelfde perceel.
   3. Voor de AP, superimpose normale, inheemse aortaklep ^18, en bi-leaflet kunstklep ¹⁹ kavels uit de literatuur voor validatie doeleinden.
2. Hydrodynamische metrics
   1. Voor elke klep getest, moet de volgende hydrodynamische metrieken worden berekend: a) Aanvoer drukval en maximale transvalvular druk (TVP), b) de aorta root mean square (RMS) forward debiet, c) aorta forward flow, sluiten, lekkage en totale regurgitant volume, d) ventiel einde openingsgebied (EOA), e) transaortale forward flow, sluiten, lekkage en totale energie verliezen.
      1. Aanvoer drukval wordt berekend op basis van TVP lezingen en kan worden onderverdeeld in 3 tijdsintervallen, P: interval dat begint en eindigt met 0 TVP, F: interval met forward flow en H: interval beginnend met 0 TVP en eindigend met 0 flow. Maximale TVP is de maximum drukgradiënt opgenomen over de klep van de aorta en ventriculaire drukmetingen.
      2. De RMS-forward debiet (Q _rms) biedt een nuttige maatstaf voor het kwantificeren van de omvang van de forward debiet als volgt:
         
         Waar 'n' is het totale aantal tijdstippen verzameld, _'Qi' is het ogenblikkelijk debiet meting verzameld om 'i'.
      3. De aorta vooruit, sluiten en lekkage volumes worden berekend op basis van de volgende tijdsintervallen, Forward: begin van voorwaartse stroom door de klep (t _o), aan het einde van de forward flow (t _1); Sluiting: van t ₁ tot aan de instantie van klepsluiting _(t2) Lekkage van _t2 tot het einde van de hartcyclus _(t3). Totale regurgitant volume is simpelweg de som van closing en volumes lekkage.
      4. De EOA gebaseerd op bloed eigenschappen kunnen worden berekend voor de 3 intervallen, P, F en H van het gemiddelde TVP gedurende elk van deze periodes als ^20:
         
      5. Energieverliezen zijn gedefinieerd als volgt ^21:
         

Resultaten

Representatieve stroom en druk golfvormen worden getoond in Figuren 3, 4 en 5. De kavels werden gemiddeld over de steekproefgrootte van de kleppen getest voor elke groep, die was, n = 5, 4, en 2 kleppen voor polymeer, inheemse varkens en bi-folder groepen, respectievelijk. De gemiddelde hydrodynamische metrics en de standaardafwijking van het gemiddelde voor deze steekproefomvang worden weergegeven in Tabel 1.

Discussie

In deze studie hebben we aangetoond dat de bruikbaarheid van het wijzigen van een in de handel verkrijgbaar pulserende duplicator unit aan tri-folder klep geometrieën tegemoet zodat hydrodynamische testen van polymeer en inheemse varkens afsluiters kunnen worden uitgevoerd. Specifiek in ons geval, het systeem gemodificeerd was een ViVitro linker hart en systemische simulator systeem (figuur 1a) bediend via het ViViTest data-acquisitiesysteem (ViVitro Systems, Inc, Victoria, BC, Canada). Echter, het syst...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Pomp	ViVitro Labs		http://vivitrolabs.com/products/superpump/
Debietmeter en sonde	Carolina Medical	Model 501D	http://www.carolinamedicalelectronics.com/documents/FM501.pdf
Druktransducer	ViVitro Labs	HCM018
ViVitro drukmeetassemblage	ViVitro Labs	6186
Klephouder	WB Engineering		Ontworpen door Florida International University. Vervaardigd door WB Engineering
Pulsduplicator	ViVitro Labs	PD2010	http://vivitrolabs.com/wp-content/uploads/Pulse-Duplicator-Accessories1.pdf
Pulsduplicator gegevensverzameling en controlesysteem, inclusief ViViTest-software	ViVitro Labs	PDA2010	http://vivitrolabs.com/products/software-daq
Porcine harten en inheemse aortakleppen	Mary's Ranch Inc
Bi-leaflet mechanische kleppen	Saint Jude Medical		http://www.sjm.com/
Hoge vacuümvet	Dow Corning Corporation		http://www1.dowcorning.com/DataFiles/090007b281afed0e.pdf
Glycerine	McMaster-Carr	3190K293	99% Natuurlijk 5 gal
Fosfaatgebufferde zoutoplossing (PBS)	Fisher Scientific	MT21031CV	100 ml/hart
Antimycotische/antibiotische oplossing	Fisher Scientific	SV3007901	1 ml in 100 ml PBS/hart; 20 ml voor ViVitro-systeem
NaCl	Sigma-Aldrich	S3014-500G	9 g/L gedeïoniseerd water
Gedeïoniseerd water	EMD Millipore Chemicals		Millipore gedeïoniseerd zuiveringssysteem. 1,3 L voor ViVitro-systeem, 200 ml voor het dissectieproces van de hartklep