Protokół względnej oceny hydrodynamicznej trójpłatkowych zaworów polimerowych

Podsumowanie

Ponownie pojawiło się zainteresowanie rozwojem zaworów polimerowych. W tym przypadku celem jest wykazanie wykonalności modyfikacji komercyjnego powielacza impulsów w celu dostosowania go do geometrii trójulotkowej oraz zdefiniowanie protokołu prezentacji danych hydrodynamicznych zaworów polimerowych w porównaniu z danymi natywnymi i protezowymi zastawek zebranymi w niemal identycznych warunkach.

Streszczenie

Ograniczenia obecnie dostępnych protez zastawek, ksenoprzeszczepów i homograftów spowodowały niedawne odrodzenie się rozwoju w dziedzinie trójpłatkowych polimerowych protez zastawek. Jednak identyfikacja protokołu wstępnej oceny funkcjonalności hydrodynamicznej zaworu polimerowego ma kluczowe znaczenie na wczesnych etapach procesu projektowania. Tradycyjne systemy powielaczy impulsów in vitro nie są skonfigurowane do obsługi elastycznych materiałów trójulotkowych; Ponadto ocena funkcjonalności zastawek polimerowych musi być dokonywana w kontekście względnym w stosunku do natywnych i protetycznych zastawek serca w identycznych warunkach testowych, aby można było uniknąć zmienności w pomiarach z różnych instrumentów. W związku z tym przeprowadziliśmy ocenę hydrodynamiczną i) natywnych (n = 4, średnia średnica, D = 20 mm), ii) dwuskrzydłowych zaworów mechanicznych (n = 2, D = 23 mm) i iii) polimerowych (n = 5, D = 22 mm) przy użyciu dostępnego na rynku systemu powielacza impulsów (ViVitro Labs Inc, Victoria, BC), który został zmodyfikowany w celu dostosowania do geometrii zaworów trójskrzydłowych. Zawory silikonowe z trzema ulotkami opracowane na Uniwersytecie Florydy stanowiły grupę zaworów polimerowych. Mieszaninę w stosunku 35:65 gliceryny do wody użyto do naśladowania właściwości fizycznych krwi. Chwilowe natężenie przepływu mierzono na granicy lewych komór i jednostek aortalnych, natomiast ciśnienie rejestrowano w pozycjach komorowych i aortalnych. Do walidacji odczytów przepływu i ciśnienia wykorzystano dane z dwuulotki i natywne zawory z literatury. Podano następujące wskaźniki hydrodynamiczne: spadek ciśnienia przepływu do przodu, średnie kwadratowe natężenie przepływu w przód korzenia aorty, zamknięcie aorty, nieszczelność i objętość niedomykalności, zamknięcie przezaortalne, nieszczelność i całkowite straty energii. Reprezentatywne wyniki wskazują, że wskaźniki hydrodynamiczne z trzech grup zaworów można z powodzeniem uzyskać, włączając niestandardowy zespół do dostępnego na rynku systemu powielacza impulsów, a następnie obiektywnie porównać, aby uzyskać wgląd w funkcjonalne aspekty konstrukcji zaworów polimerowych.

Wprowadzenie

Choroba zastawki serca często wynika ze zwyrodnieniowego zwapnienia zastawki¹, gorączki reumatycznej², zapalenia wsierdzia^3,4 lub wrodzonych wad wrodzonych. Kiedy dochodzi do uszkodzenia zastawki, powodującego zwężenie i/lub niedomykalność wypadnięcia zastawki i nie można jej naprawić chirurgicznie, zastawka natywna jest zwykle zastępowana zastawką protezową. Obecnie dostępne opcje obejmują zawory mechaniczne (zawory klatkowo-kulowe, zawory talerzowe uchylne itp.), zastawki homograftyczne i bioprotetyczne (zastawki świńskie i bydlęce). Zastawki mechaniczne są często zalecane młodszym pacjentom ze względu na ich trwałość; Jednak pacjent musi pozostać na leczeniu przeciwzakrzepowym, aby zapobiec powikłaniom zakrzepowym⁵. Homograft i biologiczne protezy zastawek są skutecznym wyborem w celu uniknięcia terapii rozrzedzania krwi; Jednak zastawki te mają podwyższone ryzyko zwłóknienia, zwapnienia, zwyrodnienia i powikłań immunogennych prowadzących do niewydolności zastawki⁶. Zastawki inżynierii tkankowej są badane jako nowa technologia^7-9, ale wiele wciąż pozostaje do odkrycia. Alternatywne, trwałe, biokompatybilne protezy zastawek są potrzebne do poprawy jakości życia pacjentów z chorobami zastawek serca. Ponownie, ta konstrukcja zastawki może zastąpić bioprotezę stosowaną w technologii zastawek przezcewnikowych, a podejścia przezcewnikowe wykazują potencjał przekształcenia leczenia wybranych pacjentów z chorobą zastawek serca¹⁰.

Zgodnie z obecnymi standardami, udany zamiennik zastawki serca powinien mieć następujące cechy wydajności: "1) umożliwia przepływ do przodu przy akceptowalnie małym spadku średniej różnicy ciśnień; 2) zapobiega przepływowi wstecznemu z akceptowalnie małą niedomykalnością; 3) jest odporny na embolizację; 4) jest odporny na hemolizę; 5) jest odporny na tworzenie się skrzepliny; 6) jest biozgodny; 7) jest zgodny z technikami diagnostyki in vivo; 8) jest możliwa do dostarczenia i zagnieżdżenia się w populacji docelowej; 9) pozostaje nieruchomy po umieszczeniu; 10) ma dopuszczalny poziom hałasu; 11) pełni funkcję powtarzalną; 12) zachowuje swoją funkcjonalność przez rozsądny okres użytkowania, zgodnie ze swoją klasą generyczną; 13) zachowuje swoją funkcjonalność i sterylność przez rozsądny okres trwałości przed implantacją."¹¹. Niektóre z niedociągnięć istniejących protez zaworów mogą być potencjalnie przezwyciężone przez zawór polimerowy. Biokompatybilne polimery zostały uznane za najlepszych kandydatów ze względu na biostabilność, antyhydrolizę, przeciwutlenianie i korzystne właściwości mechaniczne, takie jak wysoka wytrzymałość i lepkosprężystość. W szczególności polimery elastomerowe mogą powodować deformacje materiału przypominające natywną dynamikę zaworów. Elastomery mogą być dostosowane tak, aby naśladować właściwości tkanek miękkich i mogą być jedynymi dostępnymi sztucznymi materiałami, które są biotolerancyjne i mogą wytrzymać sprzężone, in vivo, wywołane płynem, naprężenia zginające i rozciągające, a jednocześnie poruszać się w sposób przypominający zdrowy, natywny ruch zastawki. Co więcej, elastomery mogą być produkowane masowo w różnych rozmiarach, łatwe przechowywanie, oczekuje się, że będą opłacalnymi urządzeniami i mogą być strukturalnie wzmocnione włóknistą zbrojeniem.

Koncepcja użycia materiałów polimerowych do montażu zaworu trójskrzydłowego nie jest nowa i była przedmiotem kilku badań w ciągu ostatnich 50 lat¹², które zostały porzucone głównie z powodu ograniczonej trwałości zaworu. Jednak wraz z pojawieniem się nowatorskich metodologii produkcji^13,14, wzmocnieniem materiałów polimerowych^15,16 i potencjalnie bezproblemową integracją polimerowych substytutów zaworów z technologią zastawek przezcewnikowych, ostatnio ponownie wzrosło zainteresowanie i aktywność w zakresie opracowywania zaworów polimerowych jako potencjalnie realnej alternatywy dla obecnie dostępnych zaworów komercyjnych. W tym świetle protokół umożliwiający testowanie tych zaworów w celu oceny funkcjonalności hydrodynamicznej jest pierwszym krokiem w procesie oceny; Jednak dostępne na rynku systemy symulatorów impulsów na ogół nie są wyposażone w konstrukcje zaworów trójpiórkowych i zawierają pierścieniowy odstęp do wprowadzania dostępnych na rynku zastawek serca (np. dysk przechylny, dwupłatkowe mechaniczne zastawki serca). Po drugie, zawory polimerowe są nową technologią, której hydrodynamikę można ocenić tylko w kontekście względnym. Mimo że dostępne są dane dotyczące natywnego ciśnienia i przepływu w zastawce serca, ważne jest, aby przeprowadzić testy natywnych zastawek aortalnych świń, które są biologicznie podobne do zastawek ludzkich, przy użyciu tego samego symulatora pulsacyjnego, który jest używany do oceny zastawek polimerowych w celu uwzględnienia różnic w pomiarach, które mogą być zależne od systemu. W związku z tym celem tego badania było pokazanie, w jaki sposób dostępny na rynku symulator impulsów może być wyposażony w zespół dostosowujący się do konstrukcji zaworów trójskrzydłowych oraz systematyczna ocena wskaźników hydrodynamicznych zastawek polimerowych w kontekście względnym w porównaniu z mechanicznymi i natywnymi odpowiednikami zastawek serca świń. W naszym przypadku nowatorskie zawory z polimeru silikonowego z trzema ulotkami, opracowane wcześniej na Uniwersytecie Florydy ¹³, stanowiły grupę zaworów polimerowych.

Protokół

1. Przygotowanie

1. Zaprojektuj i wyprodukuj zespół, aby dostosować się do geometrii zaworu trójlistkowego. Obejmuje to co najmniej uchwyt zaworu do wszycia ulotek zaworu oraz rurkę do przechowywania uchwytu zaworu i otaczających akcesoriów w celu zamocowania zespołu na systemie powielacza impulsów. W naszym przypadku wykorzystaliśmy dostępny na rynku system powielacza impulsów dostępny w firmie ViVitro Labs Inc. (Victoria, BC). Konstrukcja uchwytu zaworu oraz konfiguracje przed i po montażu przedstawiono na rysunku 1.
2. Cała pętla będzie musiała zostać zagruntowana przed użyciem. Obejmuje to dwa etapy: i) oczyszczenie całego systemu pętli za pomocą roztworu mydła i wody, w tym wymianę wszelkich uszkodzonych rurek przed użyciem oraz ii) kalibrację przyrządów podłączonych do pętli, a mianowicie używanej pompy, sondy przepływu i przetworników ciśnienia (zwykle mierzonych w miejscach przedsionkowych, aortalnych i komorowych). Kalibrację można początkowo przeprowadzić przy użyciu 1% roztworu soli fizjologicznej i należy ją powtórzyć przed użyciem analogowego roztworu gliceryny we krwi.

2. Natywne rozwarstwienie zastawki aortalnej

1. Zdobądź 4 świeże serca wieprzowe z nienaruszoną aortą z rzeźni zatwierdzonej przez USDA (może być wymagane zatwierdzenie przez Instytucjonalny Komitet ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt (IACUC)). W naszym przypadku nasz protokół sekcji został zatwierdzony przez IACUC na Międzynarodowym Uniwersytecie Florydy (numer zatwierdzenia protokołu: 11-020). Opłucz serce wodą dejonizowaną i umieść je w naczyniu wypełnionym 1% roztworem soli fizjologicznej z 1% środkiem przeciwgrzybiczym/antybiotykowym i sterylnym roztworem soli fizjologicznej buforowanej fosforanem (PBS) i transportuj na lodzie do laboratorium badań hydrodynamicznych.
2. Umieść serca na patelni preparacyjnej i ostrożnie usuń osierdzie. Ustaw serce tak, aby strona brzuszna była skierowana w twoją stronę. Sprawdź wzrokowo i zidentyfikuj cztery komory serca i zlokalizuj łuk aorty na nienaruszonej aorcie.
3. Podziel serce na dwie połowy, przecinając je poziomo około 0,75 cala poniżej pierścienia, tj. połączenia między aortą a lewą komorą. Ostrożnie odizoluj nienaruszoną aortę nadal przyczepioną do lewego segmentu tkanki komory.
4. Zbadaj zastawkę aortalną znajdującą się w korzeniu aorty, obszarze między aortą wstępującą a dolnym pierścieniem, upewniając się, że nie ma uszkodzeń ani oznak zwapnienia.
5. Podziel aortę na ~ 1 calu powyżej pierścienia i oddziel lewy segment tkanki komorowej poniżej pierścienia, aby odizolować zastawkę aortalną (ryc. 2a).

3. Proces szycia polimerów i zastawek natywnych

1. Umieść zastawkę serca wewnątrz uchwytu zaworu w taki sposób, aby podstawa każdej zastawki była wyrównana z podstawą uchwytu wkładu. Tymczasowo zabezpiecz zawór na miejscu na każdym słupku za pomocą spinacza do papieru, ale uważaj, aby nie uszkodzić spoidła ani guzków.
2. Wprowadzić szew do igły. Szycie należy rozpocząć od dołu uchwytu zaworu, przepuszczając igłę przez pierwszy otwór, od zewnątrz do wewnątrz, tak aby igłę można było łatwo wyciągnąć od dołu. W pętli zacznij zszywać zawór pionowo w górę słupków uchwytu zaworu.
3. Kontynuować szycie (Rysunek 2b) wzdłuż obwodu uchwytu i zabezpieczyć dodatkowym szwem wokół końcówek słupków uchwytu. Spinacze do papieru (rysunek 2c) można usunąć, gdy zawór jest całkowicie zabezpieczony za pomocą szwów do 3 słupków i na obwodzie uchwytu zaworu (rysunki 2d i 2e).

4. Ocena hydrodynamiczna

Uwaga: Rzeczywisty protokół będzie się różnił w zależności od używanego systemu powielacza impulsów. Wszystkie informacje zawarte w niniejszym dokumencie zostały wykorzystane w systemie ViVitro Pulse Duplicator (ViVitro Labs, Inc., Vancouver, BC).

1. Zawór dwuskrzydłowy
   1. Ustaw tętno systemu powielacza tętna na 70 uderzeń/min.
   2. Wybierz przebieg przepływu do napędzania pompy (w przypadku systemu ViVitro do wszystkich testów hydrodynamicznych wybrano przebieg S35). Specyficzny kształt fali wykorzystany w naszych eksperymentach został zilustrowany przez Lim et al. (2001)¹⁷.
   3. Włącz wzmacniacz i pompę tłokową. Rozgrzewka trwa 15 minut.
   4. Umieść zastawkę dwupłatkową (rysunek 2f) w pozycji aorty.
   5. Rozsmaruj smar próżniowy na wszystkich połączeniach urządzenia, w których mogą wystąpić nieszczelności.
   6. Wlać glicerynę/płyn z solą fizjologiczną do komory przedsionkowej. Należy pamiętać, że system powielacza pulsacyjnego działa na 2 litry płynu z: 35%/0,7 l gliceryny i 65%/1,3 l roztworu soli fizjologicznej. Roztwór soli przygotowuje się przy użyciu soli kuchennej dobrze rozpuszczonej w wodzie dejonizowanej o stężeniu 9 mg/ml (waga/objętość).
   7. Włącz przetwornik przepływu, który został umieszczony w pozycji aortalnej.
   8. Skalibruj pompę.
   9. Kontynuuj kalibrację przetwornika przepływu, a następnie przetworników ciśnienia. Podobnie jak w przypadku pompy, wystarczy postępować zgodnie z instrukcjami podanymi przez oprogramowanie ViVitest (ViVitro Labs Inc.) dla każdego przepływu i ciśnienia w zakładce kalibracji.
   10. Po zakończeniu kalibracji uruchom pompę z niską prędkością obrotową, aż płyn wypełni komorę aortalną. Sprawdź, czy nie ma wycieków. W razie potrzeby użyj dodatkowego smaru próżniowego.
   11. Przekręć dwa kurki odcinające (głowice aorty i komory) do pozycji otwartej.
   12. Zwiększaj prędkość obrotową pompy, aż objętość wyrzutowa osiągnie 80 ml/uderzenie.
   13. Pozwól systemowi pracować przez 10 minut, aż przepływ się ustabilizuje. Stabilizację przepływu można zweryfikować, obserwując przebiegi przepływu i ciśnienia wyświetlane na ekranie. Niska lub zerowa zmienność między cyklami jest dobrym wskaźnikiem stabilizacji systemu.
   14. W oprogramowaniu ViVitest wybierz tryb pozyskiwania.
   15. Kliknij zbierz 10 cykli.
   16. W trybie analizy kliknij tabelę i zapisz plik. Zapisz także obraz przebiegów za pomocą opcji photo-snap w ViVitest.
2. Zawory natywne i polimerowe
   1. W przypadku zaworów polimerowych i zwierzęcych należy wykonać te same czynności, co 3.1.1 - 3.1.3 z instrukcji zaworu dwuulotkowego.
   2. Umieść uchwyt zaworu ze zszytym zaworem wewnątrz szklanej rurki z niestandardowego montażu. Umieść rurkę warstwowo z górną i dolną częścią i zabezpiecz na miejscu za pomocą bocznych i nakrętek.
   3. Umieść zespół między komorą aorty a oryginalnym uchwytem zastawki aortalnej.
   4. Kontynuuj kroki 3.1.5 - 3.1.16 z instrukcji zaworu dwuulotkowego.

5. Przetwarzanie końcowe

1. Przebiegi przepływu i ciśnienia
   1. Uśrednić dane zebrane dla każdego z zebranych przebiegów, tj. ciśnienia w aorty (AP), ciśnienia w komorze (VP) i natężenia przepływu (Q).
   2. Dla każdej grupy zastawki (polimerowej, natywnej zastawki aortalnej świni i dwupłatkowej) na tym samym wykresie należy wykreślić odpowiednie zależności AP, VP i Q w funkcji czasu.
   3. W przypadku AP nałóż normalne, natywne wykresy zastawki aortalnej¹⁸ i protezy zastawki dwupłatkowej¹⁹ z literatury w celu walidacji.
2. Metryki hydrodynamiczne
   1. Dla każdego badanego zaworu należy obliczyć następujące wskaźniki hydrodynamiczne: a) spadek ciśnienia przepływu do przodu i maksymalne ciśnienie przezpęcherzowe (TVP), b) średnie kwadratowe natężenie przepływu do przodu korzenia aorty (RMS), c) przepływ do przodu aorty, zamykanie, przeciek i całkowita objętość niedomykalności, d) obszar otworu na końcu zastawki (EOA), e) przepływ transaortalny do przodu, zamykanie, nieszczelność i całkowite straty energii.
      1. Spadek ciśnienia przepływu do przodu jest obliczany na podstawie odczytów TVP i można go podzielić na 3 przedziały czasowe, P: przedział rozpoczynający się i kończący na 0 TVP, F: przedział z przepływem do przodu i H: przedział rozpoczynający się od 0 TVP i kończący się przepływem 0. Maksymalne TVP to maksymalny gradient ciśnienia zarejestrowany w poprzek zastawki na podstawie odczytów ciśnienia aortalnego i komorowego.
      2. Natężenie przepływu do przodu RMS (Q_rms) stanowi przydatną metrykę do ilościowego określania wielkości natężenia przepływu do przodu w następujący sposób:
         
         Gdzie "n" oznacza łączną liczbę zebranych punktów czasowych, "Q_i" oznacza pomiar chwilowego natężenia przepływu zebrany w kolejności "i".
      3. Objętość aorty skierowanej do przodu, zamykającej się i nieszczelnej oblicza się na podstawie następujących przedziałów czasowych: Do przodu: początek przepływu do przodu przez zastawkę (t_o), do końca przepływu do przodu (t₁); Zamykanie: od t₁ do momentu zamknięcia zaworu (t₂); Nieszczelność: od t₂ do końca cyklu pracy serca (t₃). Całkowita objętość niedomykalności to po prostu suma objętości zamknięcia i wycieku.
      4. EOA na podstawie właściwości krwi można obliczyć dla 3 przedziałów, P, F i H ze średniej TVP w każdym z tych okresów jako²⁰:
         
      5. Straty energii definiuje się w następujący sposób²¹:
         

Wyniki

Reprezentatywne przebiegi przepływu i ciśnienia są pokazane na rysunkach 3, 4 i 5. Wykresy zostały uśrednione dla wielkości próby badanych zaworów dla każdej grupy, która wynosiła n = 5, 4 i 2 zawory odpowiednio dla grup polimerowych, rodzimych świń i dwulistkowych. Średnie wskaźniki hydrodynamiczne i błąd standardowy średniej dla tych wielkości próbek przedstawiono w tabeli 1.

Dyskusja

W tym badaniu wykazaliśmy użyteczność modyfikacji dostępnego na rynku powielacza pulsacyjnego w celu dostosowania go do geometrii zaworów trójskrzydłowych, tak aby można było przeprowadzić badania hydrodynamiczne zaworów polimerowych i natywnych zaworów wieprzowych. W szczególności w naszym przypadku zmodyfikowany system był symulatorem lewego serca i symulatora systemowego ViVitro (ryc. 1a) sterowanego za pomocą systemu akwizycji danych ViViTest (ViVitro Systems, Inc, Victoria, BC, Kanada). Jednak syste...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Pompa	ViVitro Labs		http://vivitrolabs.com/products/superpump/
Przepływomierz i sonda	Carolina	Medical Model 501D	http://www.carolinamedicalelectronics.com/ dokumenty/FM501.pdf
Przetwornik ciśnienia	ViVitro Labs	HCM018
Zespół pomiaru ciśnienia ViVitro	ViVitro Labs	6186
Uchwyt zaworu	WB Engineering		Zaprojektowany przez Florida International University. Wyprodukowane przez WB Engineering
Powielacz impulsów	ViVitro	Labs PD2010	http://vivitrolabs.com/wp-content/uploads/Pulse-Duplicator-Accessories1.pdf
System gromadzenia i kontroli danych powielacza impulsów, w tym oprogramowanie ViViTest	ViVitro Labs	PDA2010	http://vivitrolabs.com/products/software-daq
Świńskie serca i rodzime zastawki aortalne	Mary' s Ranch Inc
Dwuulotkowe zawory mechaniczne	Saint Jude Medical		http://www.sjm.com/
High Vacuum Grease	Dow Corning Corporation		http://www1.dowcorning.com/DataFiles/ 090007b281afed0e.pdf
Gliceryna	McMaster-Carr	3190K293	99% Naturalna sól
fizjologiczna buforowana fosforanem 5 galonów (PBS)	Fisher Scientific	MT21031CV	100 ml/serce
Roztwór przeciwgrzybiczy/antybiotykowy	Fisher Scientific SV3007901		1 ml w 100 ml PBS/serce; 20 ml dla ViVitro System
NaCl	Sigma-Aldrich S3014-500G		9 g/L woda dejonizowana
Woda dejonizowana	EMD Millipore Chemicals		Millipore Dejonizowany system oczyszczania. 1,3 l do systemu ViVitro, 200 ml do procesu rozwarstwiania zastawki serca