瓣葉圖案化對機械瓣膜流體力學性能的影響

王玉苗 周建業 劉 麗

人工心臟瓣膜置換術是目前臨床治療心臟瓣膜疾病最有效的方法之一[1]。機械瓣膜具備長期耐久性特點,是臨床上使用最廣泛的人工心臟瓣膜,但是其植入人體后需終身服用抗凝藥物,凝血相關并發癥較高,影響了患者的生活質量和遠期生存率[2,3]。為了解決機械瓣的凝血問題,人們一直致力于對機械瓣材料進行處理以提高其血液相容性。

目前國內外常用的方法是通過表面改性技術來提高抗凝血性能[4]。Arrés等[5]在鈦表面仿生檸檬酸鹽涂層,結果顯示,涂層能夠改善材料的生物反應并且降低機械應力。Zhang等[6]研究發現,涂覆十六烷基三甲氧基硅烷的膜表現出超疏水性。雖然以上研究均表明能提高血液相容性,但是由于涂層技術難以保證機械瓣表面的均勻性,涂層與基體的結合力不足有脫落的風險,影響其使用功效[7]。因此,尋求一種新的途徑來改善機械瓣的凝血性能尤為重要。

表面圖案化技術為改變生物材料性能帶來了新的機遇,材料表面的微圖案對細胞的形態、方向、活性、行為甚至對各種類型細胞的表型表達有直接影響[8,9]。Liu等[10]在硅襯底表面構建了微米尺度的柱狀結構,研究結果顯示,特定間距的表面形貌可以降低纖維蛋白原和血小板吸附。Ze等[11]通過納秒激光蝕刻制備熱解碳表面圖案結構可降低血流阻力并抑制血栓形成。在圖案化加工技術中,激光表面刻蝕技術具有易操作、高精度和可重復性等優勢,并且利用熱和光子效應使激光束在材料表面加工特定形狀的微細結構,對材料表面進行改性[12]。Tiainen等[13]通過激光刻蝕技術對生物醫用級鈦表面進行圖案化處理,發現溝槽寬度會影響材料的親疏水性。溝槽寬度為40μm的組合是疏水的,而溝槽寬度較寬具有親水性。因此,本研究采用激光表面刻蝕技術在機械瓣材料表面構建微米級結構,旨在制備具備良好血液性能的瓣膜表面。

在臨床上,流體力學性能參數是瓣膜置換術中的重要參考指標之一[14]。為此,本研究首先探討瓣葉表面構建的微圖案是否會對機械瓣的流體力學性能產生影響。脈動流測試儀可以通過產生與人體本身循環條件相接近的流場,精確模擬生理壓力和流量波形,測試不同人工瓣膜在不同生理條件下,即各種流速、流量和壓力下的血流動力學參數,用來作為客觀分析評價瓣膜的流體力學性能指標[15,16]。因此,本研究采用大小不同的兩種型號國產雙葉機械瓣,按照ISO 5840-2標準方法測試其流體力學性能指標,然后在這些瓣膜上激光刻蝕出橫向平行圖案,再次進行相同的測試,對照圖案處理前后的結果,評價表面圖案化對瓣膜流體力學性能的影響[17]。

材料與方法

1.脈動流測試儀:脈動循環模擬系統為加拿大VIVITRO PD2010型人工心臟瓣膜脈動流測試系統。該系統由左心模擬循環系統、測量系統、計算機控制系統組成,其中循環系統由模擬心房、二尖瓣和主動脈瓣,血管順應腔、阻尼組成。測量系統由壓力傳感器和電磁流量計組成。

2.測試材料:①對照組:國產雙葉機械瓣,瓣葉表面為平滑的熱解碳層;②實驗組:用激光刻蝕的方法在熱解碳瓣葉心室面刻出與血流方向垂直的溝槽圖案,再按原生產工藝組裝成相應型號的雙葉機械瓣膜(圖1)。每組選用GKS 21A、23A兩種型號。

圖1 機械瓣膜和瓣葉示意圖

3.測試條件:①測試模擬心排出量:2、3.5、5、7L/min;②測試液體:0.9%氯化鈉溶液;③主動脈壓力:收縮壓120mmHg,舒張壓80mmHg。

結 果

1.MTP比較:同一型號下,隨著測試流量不斷增加,瓣膜的MTP也隨之增大。正常流量下,瓣膜的型號越大,MTP越小。實驗組與對照組比較,GKS 21A瓣除了低流量外,實驗組比對照組的MTP小12%～33%。GKS 23A瓣除了低流量和高流量測試條件外,接近人體流量條件下實驗組比對照組的MTP小10%～14%,兩種規格比較,差異均有統計學意義(P<0.01),詳見表1。

表1 不同測試流量下實驗組與對照組的平均跨瓣壓差比較

2.EOA比較:同一測試流量下,瓣膜的型號越大,EOA越大,但是存在流量較小(3.5L)時瓣膜不能完全打開的現象。實驗組與對照組比較,GKS 21A瓣除了極低流量狀態(2L)外,實驗組的EOA比對照組大5%～17%;GKS 23A瓣除了在極低和極高流量的狀態外,實驗組的EOA比對照組大5%～7%,兩種型號實驗組和對照組之間比較,差異均有統計學意義(P<0.01),詳見表2。

表2 不同測試流量下實驗組與對照組的有效開口面積比較

3.RE比較:同一型號下,隨著流量的增大,瓣膜的RE減小,同一測試流量,瓣膜的型號越大,RE越小。實驗組與對照組比較,GKS 21A實驗組比對照組小14%～40%,GKS 23A實驗組比對照組大31%～147%(P<0.01),詳見表3。

表3 不同測試流量下實驗組與對照組的反流百分比比較

4.eLoss比較:同一型號下eLoss隨著測試流量的增大而變大,在低流量狀態下可能由于瓣膜未充分打開,表現不明顯。相同流量下,瓣膜型號越大,eLoss越小。低流量狀態比較,差異無統計學意義(P>0.05)。不同組別,GKS 21A實驗組的eLoss比對照組小8%～84%;GKS 23A實驗組的eLoss比對照組大10%～64%(P<0.01),詳見表4。

表4 不同測試流量下實驗組與對照組的能量損耗比較

討 論

優異的血流動力學性能是人工心臟瓣膜在臨床中成功應用的關鍵。本研究對機械瓣進行表面圖案化處理,旨在得到具有良好抗凝血性能的人工假體。首先需要評估在瓣葉進行激光刻蝕后是否對機械瓣本身的流體力學產生影響。對后續主動脈瓣置換植入體內后的瓣膜開閉和血流經過狀態具有重要指導意義。

MTP大小受多種因素影響,如瓣膜所在的流場、瓣葉開放的程度、瓣膜的型號大小等,所以在研制性能良好的瓣膜過程中,觀察比較MTP至關重要。一般情況下,同一測試流量下瓣膜的型號越大,MTP越小,同一型號下,瓣膜的測試流量越小,MTP越小,本研究中對照組和實驗組在正常流量時均符合這一規律,同時,實驗組比對照組的MTP小,差異有統計學意義(P<0.05)。血流通過瓣膜時,經過瓣膜的流入面和流出面受到的力不一樣,由此形成的差值造成的阻力會影響單位時間內通過瓣膜的血流量[18]。本研究中實驗組MTP更小的可能原因是表面橫紋圖案造成的溝槽使通過的血流量變多。

瓣膜的EOA并不是瓣環形成的口徑大小,而是取決于人工心臟瓣膜的口徑開啟面積[19]。不同的瓣膜有效開口面積各有差異。一般情況下,同一測試流量下瓣膜的型號越大,其開放的角度就越大,血液經過瓣口時受到更小的阻力,EOA隨之增大。本研究在測試過程中,實驗組在正常流量下,隨著型號的變大,EOA也增大,并且實驗組表面溝槽橫紋具有更大的開放面積,血液通過瓣口的阻力小,其EOA大于對照組。

反流量是每個周期中關閉量和泄露量之和。RE代表在每個循環周期,反流量與每博排血量的比值,這項血流動力學參數指標可以評價瓣膜的關閉性能[20]。本研究結果顯示,GKS 21A實驗組比對照組RE小,差異有統計學意義(P<0.05)。GKS 23A瓣可能由于瓣膜型號大導致表面圖案化處理后溝槽開口變多進一步使反流泄漏更多,使實驗組的RE比正常組大,差異有統計學意義(P<0.05)。

由于血流通過瓣膜的時候會遭遇阻力,并且在瓣葉關閉的過程中會出現反流,靜態下也會發生泄漏,這一系列的損耗會使瓣膜在做功過程中比正常情況下的eLoss增多。本研究在所有測試流量中,GKS 21A實驗組eLoss低于對照組,差異有統計學意義(P<0.05)。GKS 23A瓣膜經過表面橫紋處理,瓣葉溝槽開口變多導致反流泄漏更多,實驗組的eLoss比正常組大,顯著性影響到了eLoss這一血流動力學指標。

該實驗采用了簡單的橫紋結構,結果證實可以在一定程度上改變機械瓣的流體力學性能,這種結構對血液相容性的影響需要進一步評估。但該研究提供了一個重要的提示,即通過構建不同復雜、精細的圖案,有可能有針對性地提高機械瓣的特定性能,進而提高瓣膜結合性能,造福廣大患者。

綜上所述,表面圖案化技術為人工心臟瓣膜材料的表面改性提供了一種可能的技術手段,通過脈動流測試儀測試,結果顯示,圖案化處理能在大多數情況下改變包括MTP、RE、EOA、eLoss等在內的瓣膜流體力學性能,可能為進一步提高機械瓣整體性能提供了新思路。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。