純熱解碳人工機械心臟瓣膜體外性能試驗

李海平，劉麗，蘇春光

1. 蘭州蘭飛醫療器械有限公司，甘肅 蘭州 730070；2. 中國食品藥品檢定研究院，北京 102629

引言

一直以來，風濕性病變是我國瓣膜類疾病的主要病因，中國心血管病患人數3.3億，其中風濕性心臟病約250萬[1]，風心病發展到一定階段就需要進行心臟瓣膜手術。據統計，2019年全國心臟瓣膜手術量為73561例[2]。據此推算，每年使用人工心臟瓣膜數量為9～10萬枚，并且每年仍會有一定幅度的增長，其中80%仍以機械心臟瓣膜為主。

自1960年Harken等[3]和Starr等[4]采用球籠瓣成功植入人工瓣膜以來，隨著材料、工藝以及手術技術的不斷改進，瓣膜遠期置換效果有了明顯改善，取得了良好的效果[5-6]。

目前全世界的機械心臟瓣膜均以熱解碳為最主要的部件，熱解碳雖代表了機械心臟瓣膜的較高水平，但對于臨床要求來說，其血液相容性仍不夠理想，部分瓣膜在體內會發生瓣膜功能障礙現象[7-8]，導致患者二次手術甚至死亡的不良后果[9]。究其原因主要是熱解碳的主要成分為C及β-SiC，C的生物相容性極佳，Si的加入會提高材料硬度，但當Si含量過高時，易引起SiC集聚，其脆性增加，降低材料的整體耐磨性能。

在此背景下，能夠制造出不含Si的純熱解碳，在提高血液相容性的同時，其各項性能又能滿足人工瓣膜的要求，就顯得很有必要。純熱解碳瓣膜是已上市的CL-V雙葉瓣膜的改進型，其基本結構和設計原理是一致的，主要在熱解碳材料上進行了優化和改善，經過一系列體外性能測試，證明其性能有很大的提升。

1 試驗標準

依據GB 12279-2008《心血管植入物 人工心臟瓣膜》[10]、ISO 5840-1：2015《Cardiovascular implants - Cardiac valve prostheses-Part 1: General requirements》[11]和 ISO 5840-2：2015《Cardiovascular implants-Cardiac valve prostheses-Part 2 ： Surgically implanted heart valve substitutes》[12]，對于人工心臟瓣膜，除了進行瓣膜基本材料的力學特性、物理特性、化學特性、生物相容性評價外，還需要對其脈動流性能和耐久性性能進行評價。耐久性試驗所采用的是超乎體內實際情況的苛刻條件，在高頻時可產生低頻時沒有的應力，所以更能說明人工心臟瓣膜的耐久性。

在上述標準中，對于耐久性試驗的瓣膜樣品、測試設備、試驗液體、試驗步驟均做出了規定。耐久性試驗應至少用3種尺寸，即大號、中號、小號瓣膜進行試驗，并連續進行試驗直到瓣膜破壞為止或至少循環400×106次（機械瓣，GB 12279-2008中此數值要求是380×106次），試驗期間應每間隔50×106循環次數后檢查一次。試驗設備應能在每次循環時都能使瓣片完全打開和關閉，試驗結束后根據瓣膜結構變化和破壞程度詳細描述人工心臟瓣膜的外觀。

此外，根據公司內控標準要求，對組成瓣膜的瓣架和瓣片分別進行斷裂強度的測試，以檢驗其抗破壞性能差異。

2 材料與方法

2.1 試驗設備

體外耐久性試驗儀器可在一定程度上模擬人工瓣膜在體內的工作情況，即在加速狀態下模擬生理情況下的原型流動過程、載荷及損傷過程等。試驗采用加拿大Vivitro公司的Hicycle System人工心臟瓣膜疲勞試驗儀（圖1～2），該儀器可同時測試六枚瓣膜；模擬瓣膜每分鐘開閉次數可連續調節達2000次/min，并保證瓣膜在每次循環中能全開全閉；跨瓣壓差調節范圍為0～15.6 kPa（0～120 mmHg）；瓣膜振動波形有9種可選，其中有5種波形為模擬不同收縮舒張比的心室收縮波形；并且配備有視頻采集卡，可以將攝像機的圖像通過視頻采集卡直接顯示在計算機的顯示器上；工作介質采用生理鹽水。被測試瓣膜安裝在各自的托架上，由直線電機帶動，在裝有去離子水的圓桶中做上下往復運動，模擬心瓣的生理運動，通過長時間的疲勞試驗測試瓣膜的耐疲勞性能。頻率的調節由可控硅控制調節直流電機的電壓而實現。頻率用閃光測速儀測定，并用它觀察監測心瓣的啟閉和損壞情況，心室、心房和主動脈壓由壓力傳感器通過示波器顯示和生理記錄儀繪出圖線。

圖1 Hicycle System人工心臟瓣膜疲勞壽命測試儀

圖2 疲勞壽命測試儀循環回路示意圖

瓣架和瓣片斷裂強度使用數顯拉壓力試驗機進行，圖3為瓣片測試示意圖，圖4為瓣架測試示意圖。

圖3 瓣片斷裂強度測試示意圖

圖4 瓣架斷裂強度測試示意圖

2.2 測試對象

CL-V雙葉瓣膜為雙葉機械瓣，由瓣架、瓣片、加固縫合環組件構成。兩只對稱的半圓形瓣片兩端的凸耳安裝在瓣架內環上的四個“8”字形凹槽內，實現瓣片的啟閉功能；瓣架由熱解碳制成；瓣片由含鎢石墨的熱解碳組成；縫合環由醫用滌綸布縫合而成，縫制在瓣架外圓縫合槽內，用于和人體組織縫合。

本次研究主要是對由新型熱解碳涂層材料的瓣架和瓣片組成的瓣膜與常規瓣膜進行性能對照試驗。為使試驗結果更具有意義，分別選取了最大、中等、最小尺寸三種規格的測試瓣膜和參照瓣膜進行測試。測試瓣膜的編號規則為“TEST-規格”，如“TEST-19”代表安裝直徑為19 mm的測試瓣膜；參照瓣膜直接采用其產品序列號。

體外耐久性測試瓣膜選取3枚純熱解碳機械心臟瓣膜（以下簡稱“測試瓣膜”），編號和規格分別為：TEST-19 19A瓣膜1枚，TEST-25 25M瓣膜1枚，TEST-31 31M瓣膜1枚，參照瓣膜選取蘭州蘭飛醫療器械有限公司已上市的含硅全炭雙葉型人工機械心臟瓣膜（以下簡稱“參照瓣膜”），編號和規格分別是：160601023 19A瓣膜1枚，160609003 25M瓣膜1枚，171112006 31M瓣膜1枚。

工作頻率設置為（1000±10）次/min，跨瓣壓差 90～120 mmHg，每間隔50×106次循環取出瓣膜進行檢查和對照，觀察其易磨損部位，分析并記錄瓣膜結構破壞或磨損。連續進行直到瓣膜破壞為止或循環次數至少達400×106次。檢查測試瓣膜和參照瓣膜的磨損、破壞和功能損害，瓣膜功能損害包括瓣膜泄漏量增加和/或前向流階段跨瓣壓差增加，以對其耐久性、可靠性進行評估。

斷裂強度試驗分別從純熱解碳瓣膜和普通含硅瓣膜的合格瓣架和瓣片中隨機選取各10個工件進行對比測試。

2.3 分析方法

（1）組織學和表面特征。使用圖像采集方法，觀察耐久性試驗前后測試瓣膜和參照瓣膜的易磨損部位的金相組織并進行對照分析。使用Carl Zeiss MicroImaging GmbH公司制造的Axio Scope.A1研究級正立數字材料顯微鏡進行圖像采集。Axio Scope.A1由顯微鏡體、圖像采集裝置和軟件、計算機系統組成，可提供所有常見觀察方式，應用于材料的結構分析和結構缺陷，各向異性樣品分析等，并通過攝像頭獲取高清晰的數字圖像。選用顯微鏡放大倍數為100倍，目標圖像采集的物理條件應在試驗前后相對一致，尺寸標定以微米（μm）為計量單位。

（2）外觀檢查。對測試瓣膜和參照瓣膜每隔50×106次循環時，采用10倍光學顯微鏡下觀察其磨損情況并記錄。

（3）功能損害。對測試瓣膜和參照瓣膜在耐久性試驗前后的靜態泄漏量進行測量，來判斷其磨損狀況。

（4）斷裂強度。試驗測試對象的斷裂力和變形量。

3 結果

體外耐久性試驗從2019年10月9日開始至2020年8月28日結束，歷時10個多月，瓣膜共完成了406×106次啟閉循環，平均每分鐘啟閉1003次，每次啟閉循環都能使瓣膜的瓣片完全打開和關閉。按照GB 12279-2008標準規定，在每50×106次啟閉循環及試驗結束后，拆下瓣膜進行檢查，直到試驗結束。歷次檢查中未發現測試瓣膜和參照瓣膜發生結構性破壞、功能損害和其他機械故障，瓣膜縫合環沒有撕裂、脫落現象，瓣膜整體狀況完好。

在每次拆下瓣膜進行檢查時，都會在Axio Scope.A1顯微鏡下對測試瓣膜和參照瓣膜的瓣片表面磨損狀態進行觀察并拍照，并與前一次檢查時瓣片表面狀況進行對比。圖5～8分別是耐久性試驗前、50×106次循環、100×106次循環、耐久性試驗后（406×106次循環）的測試瓣膜與參照瓣膜的瓣片表面狀態。

由圖6可以看出，在經過50×106次啟閉循環后，無論是測試瓣膜還是參照瓣膜，其瓣片表面均無磨損痕跡，與試驗前瓣片表面無差異（圖5）。而在經過100×106次啟閉循環后對瓣膜的檢查中發現，在瓣片閉合狀態時兩瓣片的平面接觸位置，以及瓣片與瓣架接觸的圓弧面，出現了斷續的磨損痕跡，磨痕寬度為50～80 μm，長度不等，與瓣架和瓣片接觸面的接合形狀有關。測試瓣膜與參照瓣膜上的磨痕相比沒有明顯差異，見圖7。隨著試驗繼續進行，一直到試驗結束的歷次檢查發現，上述磨痕沒有大的擴展，見圖8。分析認為，熱解碳在磨損到一定程度時，兩接觸部件之間有自潤滑作用，另外瓣片在關閉時試驗腔內液體對其有一定的緩沖作用，也可以減緩其磨損痕跡的進一步擴展。

圖5 耐久性試驗前瓣片表面（100×）

圖6 50×106次循環后瓣片表面（100×）

圖7 100×106次循環后瓣片表面（100×）

圖8 耐久性試驗結束后（406×106次循環）瓣片表面（100×）

對于瓣片的磨損狀況的進一步評價，采用GB 12279-2008和ISO 5840-2：2015中的靜態泄漏測試方法進行，磨損痕跡面積越大，深度越深，說明瓣片和瓣架之間的縫隙越大，在同等壓力條件下單位時間通過縫隙的流量就會越大。表1列出了耐久性試驗前后靜態泄漏量的數據。

從表1數據可以看出，在經過4億多次啟閉循環（相當于在人體中工作10年的啟閉次數）的疲勞試驗后，測試瓣膜和參照瓣膜的靜態泄漏量均有不同程度的增加，也就是說磨損狀況都影響到了瓣膜的靜態泄漏量。對于不同測試樣品間泄漏量變化率的不同，分析可能跟瓣架與瓣片間硬度差相關。摩擦學原理表明，兩種完全同性材料間的磨損量遠大于兩種非同性材料間的磨損[13]，同時根據相關研究結論，兩種材料間的硬度比值在0.7～1.1時，材料的磨損率最低，如果超過這個范圍，硬度低的材料相對磨損率要高一些[14]。在瓣膜各組件部件中，瓣片和與其接觸的瓣架是最易磨損的部件，因為瓣片在人體中是不斷啟閉的活動狀態，過度磨損后容易脫落造成瓣膜故障危害，所以一般在瓣膜裝配設計中讓瓣片的硬度適度高于瓣架的硬度。表2中列出了測試樣品瓣膜的瓣架和瓣片硬度測試值。

表1 耐久性試驗前后瓣膜靜態泄漏量數據

表2 測試樣品的硬度值

耐久性試驗前后的靜態泄漏量變化值最小的樣品TEST-25 25M和TEST-31 31M的瓣架瓣片硬度比值約為1：1.02，比值超過或低于此值時，泄漏量都會增加，尤其是171112006 31M樣品，因其硬度較接近，泄漏量增加最為明顯。這個結論對于瓣膜裝配中具有一定的參考意義。

表3為純解碳瓣片與含硅熱解碳瓣片斷裂強度測試數據，從表中數據可以看出，純熱解碳瓣片的斷裂壓力和斷裂時的變形量均比含硅熱解碳瓣片數值有明顯提升，平均值均超過26%，說明純熱解碳瓣片材料的柔韌性提升明顯。

表3 純解碳瓣片與含硅熱解碳瓣片斷裂強度測試數據

表4為純解碳瓣架與含硅熱解碳瓣架斷裂強度測試數據，從表中數據可以看出，純熱解碳瓣架的斷裂壓力和斷裂時的變形量均比含硅熱解碳瓣架數值有明顯提升，斷裂壓力平均值提升超過26%，斷裂時變形量提升超過27%，證實純熱解碳瓣架材料的柔韌性也有明顯提升。

表4 純解碳瓣架與含硅熱解碳瓣架斷裂強度測試數據

4 討論

人工心臟瓣膜作為一種長期植入人體的人造器官，不僅要有優良的生物學性能，更重要的是可靠性強、耐久性好，植入患者體內后期望能正常工作幾十年。人工心臟瓣膜的耐久性與患者的生存期緊密相關。根據GB 12279、ISO 5840標準的規定，體外耐久性測試應是人工心臟瓣膜體外性能的評價內容之一。因此，對人工心臟瓣膜除必須進行物理性能、化學性能、生物相容性、動物試驗、臨床試驗等評價外，還必須進行疲勞耐久性的評價，這是一種新型瓣膜從試驗室走上臨床的必經之路[15-16]。

目前臨床應用的熱解碳材料中C以連續相存在，Si以β-SiC分散相的形式存在于C基質連續相中。Si含量在不大于16%時不會明顯降低涂層抗血栓性能，但當硅含量高于16%后，易引起SiC集聚，粒度增大且分布不均，增加材料的脆性，可降低材料的耐磨性能。熱解碳沉積過程使用的原料之一CH3SiCl3在存放時如遇明火、高熱或與氧化劑接觸，有引起燃燒爆炸的危險，受熱或遇水分解會放出有毒的腐蝕性煙氣，若遇高熱，容器內壓力增大，有開裂和爆炸的危險。在熱解沉積過程中參與反應時CH3SiCl3會分解產生有毒的腐蝕性氣體HCl，對環境和人體產生不利的影響。本研究所采用的純熱解碳具有良好的生物相容性的依據在于，熱解碳涂層以單晶體熱解碳形式存在，具有穩定的化學惰性；同時因為人體不會視碳為異物，不會發生排異反應，且純熱解碳在拋光后具有光滑的表面，因而其生物相容性極佳；與傳統的含硅熱解碳相比，更具柔韌性。

本研究在著重于對瓣膜整體進行體外耐久性測試之外，還分別對純熱解碳制成的瓣架和瓣片進行了斷裂強度試驗，并與已上市瓣膜進行對照，以評價純熱解碳人工機械心臟瓣膜的疲勞耐久性和抗破壞性能。通過測試，證實機械瓣膜的耐久性與其結構和材料的疲勞和磨損性能直接相關，在此之前，尚未發現有相關報道。

當然，依據《醫療器械注冊與備案管理辦法》[17]等相關法規要求，當組成醫療器械的原材料變化后，還有相當長的一個流程要走，還要進行各種各樣的測試和驗證，包括動物實驗和臨床試驗，以保證該產品應用于人體并造福于人類。

5 結論

體外耐久性試驗結果表明，當結構完全一樣的純熱解碳人工機械心臟瓣膜和含硅熱解碳人工機械心臟瓣膜在經過耐久性試驗后，瓣膜均啟閉正常，沒有發生結構性破壞、功能損害和其他如飛片、碎裂、分層或剝離等機械故障或磨損，瓣膜縫合環沒有撕裂、脫落現象，瓣膜整體狀況完好。瓣片啟閉時與瓣架接觸部位的表面均有不同程度的磨損痕跡，根據其接觸部位不同，其磨損尺寸和形狀會略有差別，肉眼亦能看到輕微的磨痕，其磨痕大小和深度與含硅與否未發現有直接關聯，而與瓣架和瓣片硬度有關。

瓣架與瓣片的斷裂強度測試結果表明，與傳統的含硅熱解碳相比，純熱解碳材料斷裂強度增加超過26%，即其柔韌性增強超過26%，產品植入人體后，其抗破壞性能會大大提升。取消瓣膜熱解碳中硅的含量后，其影響是熱解碳硬度會略低于含硅的熱解碳，但因為同時改變了瓣架和瓣片的硬度，不會改變其摩擦學性能，也不會影響瓣膜的耐久性。

另外，在目前瓣膜所用熱解碳中取消硅元素的添加，因為人體不會視碳為異物，所以采用先進工藝生產的不含硅的熱解碳瓣膜不會發生排異反應，將會有更好的生物相容性；純熱解碳原材料采購減少，從而降低生產成本；減少污染發生并降低回收成本。

經過耐久性4億次的啟閉循環后，瓣膜沒有發生飛片和碎裂等機械故障，即相當于在人體中工作時限達10年之久，說明純熱解碳人工機械心臟瓣膜的耐久性是可以達到相關標準要求的。