外科植入式人工生物心臟瓣膜支架疲勞性能的研究方法

【作 者】劉麗，劉衛(wèi)，鄒文才，王晨曦，徐紅霞，王春仁

1 中國食品藥品檢定研究院，北京市，102629

2 蘇州邁迪威檢測技術有限公司，蘇州市，215123

0 引言

心臟瓣膜（包括瓣葉、腱索及乳頭肌）的炎癥引起的結構損毀、纖維化、粘連、縮短，黏液瘤樣變性，缺血性壞死，鈣質沉著或者先天發(fā)育畸形，稱為心臟瓣膜病[1]。心臟瓣膜病可嚴重損害瓣膜的正常功能，從根本上破壞血流動力學[2]。當有足夠的組織可供重建時，心臟瓣膜修復通常比心臟瓣膜置換更可取，然而在許多心臟瓣膜疾病中，瓣膜更換是不可避免的[3]。人工心臟瓣膜有機械瓣膜和生物瓣膜兩種，與機械瓣膜相比，生物瓣膜血栓形成率低，水動力性能好，不需要終身抗凝[4-6]。由于生物瓣膜臨床手術量較大，技術相對成熟，是目前主流的心臟瓣膜替換手術方式，國內(nèi)將會有更多企業(yè)研發(fā)生物瓣膜[7-10]。

生物瓣膜的主要缺點是長期耐久性[11]，人工生物心臟瓣膜這類需要長期植入體內(nèi)的高風險性Ⅲ類醫(yī)療器械，應用到人體前必須對其安全性和有效性進行充分的評估[12]。而心臟瓣膜支架的疲勞耐久性則是反映瓣膜安全性和有效性的重要指標[13-14]。已有的人工心臟瓣膜疲勞測試是模擬人體常規(guī)主動脈環(huán)境（跨瓣壓差目標峰值為100 mmHg，1 mmHg=133.32 Pa）下瓣葉的性能、瓣環(huán)和瓣葉的磨損[15-17]，然而生物瓣膜在植入人體后，臨床觀察瓣膜支架在體內(nèi)會受到一個徑向位移，因此需要評測徑向位移對瓣膜支架疲勞性能的影響。

筆者研究了一種生物瓣膜支架的測試方法，對一種國產(chǎn)生物瓣膜支架在徑向位移作用下的疲勞耐久性能進行初步測試研究，為生物瓣膜支架的疲勞測試提供一個方向。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗中試驗樣品為國內(nèi)某公司生產(chǎn)的人工生物心臟瓣膜支架，其規(guī)格為M33，數(shù)量為3個。

試驗所用溶液為磷酸鹽緩沖液。

1.2 試驗儀器

本試驗使用的儀器為Bose Corporation公司生產(chǎn)的3510型動態(tài)疲勞試驗機，儀器符合以下條件要求：

（1）位移量程：-25 mm～25 mm；

（2）位移控制精度：≤1 %；

（3）溫度測量系統(tǒng)精度：±1 ℃。

1.3 試驗方法

目前人工心臟瓣膜疲勞測試是模擬人體常規(guī)主動脈環(huán)境（跨瓣壓差目標峰值為100 mmHg）下瓣葉的性能、瓣環(huán)和瓣葉的磨損，試驗過程中瓣膜支架結構處于固定狀態(tài)，沒有體現(xiàn)臨床使用過程中的疲勞形式。該試驗方法參考GB 12279-2008和ISO 5840-2:2015標準，將瓣膜支架安裝到動態(tài)疲勞試驗機上，浸沒在（37±2）℃的磷酸鹽緩沖液中，為瓣膜支架施加徑向位移，使其不斷彎曲和變形，模擬瓣膜支架在體內(nèi)的受力狀態(tài)，使用加速疲勞的試驗方法，評估瓣膜支架的疲勞壽命和可能的失效模式。瓣膜支架的變形，如圖1所示。

圖1 瓣架變形示意Fig.1 Schematic diagram of valve stent deformation

為了使瓣膜支架的三個頂端同時徑向移動，設計如圖2所示的錐形罩，當錐形罩上下移動的時候，斜面擠壓瓣膜支架頂端，使其變形。其中邊a為斜面上下移動的位移，邊c為瓣膜支架頂端在斜面上的移動軌跡，邊b為瓣膜支架頂端徑向移動的位移，根據(jù)三者的幾何關系有：

圖2 試驗工裝及錐形罩示意Fig.2 Diagram of test fixture and conical cover

安裝完成試驗工裝后，設定瓣膜支架端部的徑向位移為0.365 mm。可知本次測試樣品測試條件b=0.365。本次設計測試錐形罩的角度β=18o。

根據(jù)式（1），可知：

a=b/tanβ=1.12

即錐形罩上下移動1.12 mm，可實現(xiàn)瓣膜支架端部徑向位移0.365 mm。

1.4 試驗目標

在試驗中及試驗完成后，從磨損、松脫、結構變形、裂紋和凹坑五個方面來評估樣品的性能，疲勞試驗后接收標準如表1所示。重點觀察瓣膜支架部位，如圖3、圖4所示。

圖3 瓣架重點觀察區(qū)域示意Fig.3 Schematic diagram of key observation areas of valve stent

圖4 體視顯微鏡下瓣膜支架重點觀察區(qū)域Fig.4 Key observation areas of the valve stent under stereomicroscope

表1 疲勞試驗后接收標準Tab.1 Acceptance criteria after fatigue test

2 結果

此次研究的樣品為經(jīng)過4億次加速疲勞試驗后的M33規(guī)格人工生物心臟瓣膜支架。對試驗后瓣膜支架樣品進行無水乙醇清洗處理，使用體視顯微鏡對瓣架重點觀察區(qū)域進行放大觀察，并使用掃描電子顯微鏡分別在20×、100×和200×倍率下進行全部位掃描，觀察發(fā)現(xiàn)瓣膜支架結構完整，均未出現(xiàn)斷裂、明顯磨損、絲材與套管松脫、結構扭曲變形、裂紋和明顯的凹坑現(xiàn)象（見圖5）。

圖5 掃描電鏡下瓣膜支架表面影像Fig.5 Surface image of the valve stent under scanning electron microscope

3 討論

本試驗針對生物瓣膜支架在臨床使用過程中的疲勞形式，給瓣膜支架端部施加0.365 mm徑向位移，經(jīng)過4億次加速疲勞試驗后，瓣膜支架結構完整，無影響其功能的失效模式。參考GB 12279-2008《心血管植入物 人工心臟瓣膜》和ISO 5840-2:2015 《Cardiovascular Implants-Cardiac Valve Prostheses-Part 2 Surgically Implanted Heart Valve Substitutes》，標準要求瓣膜支架設計壽命大于10年，目前人工心臟瓣膜疲勞測試是模擬人體常規(guī)主動脈環(huán)境（跨瓣壓差目標峰值為100 mmHg）下瓣葉的性能、瓣環(huán)和瓣葉的磨損，試驗過程中瓣膜支架結構處于固定狀態(tài)。本試驗提供一種生物瓣膜支架疲勞測試方法，可更好地評估瓣膜支架的預期性能。然而本次研究只考慮了心臟收縮舒張給瓣膜支架帶來的疲勞形式，未考慮到植入縫合部位組織對瓣膜支架結構的影響。因此應根據(jù)人工生物心臟瓣膜自身設計特點，結合臨床瓣膜支架徑向位移數(shù)據(jù)，設計和建立更嚴格的測試方法來科學客觀地評估其疲勞性能。