瓣叶图案化对机械瓣膜流体力学性能的影响.pdf
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1、论着J Med Res,February 2024,Vol.53 No.2瓣叶图案化对机械瓣膜流体力学性能的影响王玉苗周建业刘丽摘要目的探讨在机械瓣瓣叶表面构建图案化织构是否对机械瓣流体力学性能产生影响。方法分别随机抽取CKS21A、2 3A 两种规格的双叶主动脉机械瓣,作为对照组按照IS05840-2:2 0 2 1标准要求用脉动流测试仪测试瓣膜的平均跨瓣压差(meantransvalvularpressureMTP)、反流百分比(regurgitation fraction,RE)、有效开口面积(effective orificearea,EO A)、能量损耗(e n e r g y l
2、o s s,e Lo s s)等流体力学指标;然后用激光刻蚀的方法在每个瓣叶表面构建垂直于血流方向的横纹图案,再次对该实验组瓣膜进行同样的测试,记录、分析所得数据。结果在脉动流试验中,实验组的MTP在相同流量、规格下比对照组小;CKS21A实验组瓣膜的RE比对照组小,CKS23A实验组瓣膜的RE比对照组大;实验组瓣膜的EOA在相同流量、规格下均比对照组大;GKS 21A实验组瓣膜的eLoss 比对照组小,CKS 23A实验组瓣膜的eLoss 比对照组大。结论机械瓣瓣叶表面横纹图案会影响到瓣膜的血流动力学性能。关键词表面图案化血流动力学脉动流测试仪人工心脏瓣膜中图分类号R318Effect of
3、 Leaflet Pattering on Mechanical Valve Hydrodynamic Properties.WANG Yumiao,ZHOU Jianye,LIU Li.State Key Laboratoryof Cardiovascular Disease,National Center for Cardiovascular Diseases,Fuwai Hospital,Peking Union Medical College and Chinese Acade-my of Medical Sciences,Bejing 100037,ChinaAbstract Obj
4、ective To investigate the effects patterned structure located on the surface of mechanical valve leaflet exerted on thehydrodynamic properties of valve prostheses.Methods Bileaflet aortic mechanical valves of GKS 21A and 23A were randomly selected asthe control group,hydrodynamic performance of each
5、 valve were assessed,as per IS05840 by calculating mean transvalvular pressure(MTP),regurgitation fraction(REG),effective orifice area(EOA)and effective orifice area(eLoss).Then,laser etching was appliedto construct a parallel-groove array pattern on leaflet surface perpendicular to the direction of
6、 the blood flow.The valve was subjected a-gain to the same test,and the data obtained were recorded and analyzed.Results In the pulsating flow test,the MTP of the experimentalgroup was smaller than that of the control group at the same flow rate and size.The RE in GKS 21A experimental group was smal
7、ler thanthat in control group,and the RE in GKS 23A experimental group was larger than that in control group.The EOA in the experimentalgroup was larger than that in the control group at the same flow rate and size.The eLoss in the GKS 21A experimental group was smallerthan that in the control group
8、,and the eLoss in the GKS 23A experimental group was larger than that in the control group.ConclusionThe parallel-groove array pattern on the surface of the leaflet affected the hemodynamic performance of the valve prostheses.Key words Patterns of leaflets;Hemodynamics;Pulse duplicator;Heart valve p
9、rosthesis人工心脏瓣膜置换术是目前临床治疗心脏瓣膜疾病最有效的方法之一。机械瓣膜具备长期耐久性特点,是临床上使用最广泛的人工心脏瓣膜,但是其植人人体后需终身服用抗凝药物,凝血相关并发症较高,影响了患者的生活质量和远期生存率2.3。为了解决机械瓣的凝血问题,人们一直致力于对机械瓣材料进行处理以提高其血液相容性。基金项目:国家重点研发计划项目(2 0 18 YFC1105502)作者单位:10 0 0 37 中国医学科学院/北京协和医学院阜外心血管病医院、国家心血管病中心、心血管疾病国家重点实验室(王玉苗、周建业);10 2 6 2 9北京,中国食品药品检定研究院(刘丽)通信作者:周建业,
10、电子信箱:36文献标识码AD0I10.11969/j.issn.1673-548X.2024.02.008提高抗凝血性能4。Arrs等5 在钛表面仿生柠檬酸盐涂层,结果显示,涂层能够改善材料的生物反应并且降低机械应力。Zhang等6 研究发现,涂覆十六烷基三甲氧基硅烷的膜表现出超疏水性。虽然以上研究均表明能提高血液相容性,但是由于涂层技术难以保证机械瓣表面的均匀性,涂层与基体的结合力不足有脱落的风险,影响其使用功效7 。因此,寻求一种新的途径来改善机械瓣的凝血性能尤为重要。表面图案化技术为改变生物材料性能带来了新的机遇,材料表面的微图案对细胞的形态、方向、活目前国内外常用的方法是通过表面改性技
11、术来医学研究杂志2 0 2 4年2 月第53卷第2 期性、行为甚至对各种类型细胞的表型表达有直接影响8.9。Liu等10 在硅衬底表面构建了微米尺度的柱状结构,研究结果显示,特定间距的表面形貌可以降低纤维蛋白原和血小板吸附。Ze等 通过纳秒激光蚀刻制备热解碳表面图案结构可降低血流阻力并抑制血栓形成。在图案化加工技术中,激光表面刻蚀技术具有易操作、高精度和可重复性等优势,并且利用热和光子效应使激光束在材料表面加工特定形状的微细结构,对材料表面进行改性2 。Tiainen 等13通过激光刻蚀技术对生物医用级钛表面进行图案化处理,发现沟槽宽度会影响材料的亲疏水性。沟槽宽度为40 m的组合是疏水的,而
12、沟槽宽度较宽具有亲水性。因此,本研究采用激光表面刻蚀技术在机械瓣材料表面构建微米级结构,旨在制备具备良好血液性能的瓣膜表面。在临床上,流体力学性能参数是瓣膜置换术中的重要参考指标之一14。为此,本研究首先探讨瓣叶表面构建的微图案是否会对机械瓣的流体力学性能产生影响。脉动流测试仪可以通过产生与人体本身循环条件相接近的流场,精确模拟生理压力和流量波论着形,测试不同人工瓣膜在不同生理条件下,即各种流速、流量和压力下的血流动力学参数,用来作为客观分析评价瓣膜的流体力学性能指标15.16 。因此,本研究采用大小不同的两种型号国产双叶机械瓣,按照IS05840-2标准方法测试其流体力学性能指标,然后在这些
13、瓣膜上激光刻蚀出横向平行图案,再次进行相同的测试,对照图案处理前后的结果,评价表面图案化对瓣膜流体力学性能的影响17 材料与方法1.脉动流测试仪:脉动循环模拟系统为加拿大VIVITROPD2010型人工心脏瓣膜脉动流测试系统。该系统由左心模拟循环系统、测量系统、计算机控制系统组成,其中循环系统由模拟心房、二尖瓣和主动脉瓣,血管顺应腔、阻尼组成。测量系统由压力传感器和电磁流量计组成。2.测试材料:对照组:国产双叶机械瓣,瓣叶表面为平滑的热解碳层;实验组:用激光刻蚀的方法在热解碳瓣叶心室面刻出与血流方向垂直的沟槽图案,再按原生产工艺组装成相应型号的双叶机械瓣膜(图1)。每组选用GKS21A、2 3
14、A 两种型号。B图1机械瓣膜和瓣叶示意图A.具有沟槽图案的机械瓣实验组;B.沟槽图案;C.表面光滑的机械瓣对照组3.测试条件:测试模拟心排出量:2、3.5、5、7L/min;测试液体:0.9%氯化钠溶液;主动脉压力:收缩压12 0 mmHg,舒张压8 0 mmHg。4.测试方法:在主动脉瓣上游10 mm处放置压力传感器测定心室的压力,在主动脉下游9 0 mm处测定主动脉的压力。主动脉根部的流量由位于主动脉瓣下游140 mm处的电磁流量计测定。按照IS05840-2:2 0 2 1测试参考标准将每个瓣膜分别在2、3.5、5、7L/min测试模拟心排出量下在主动脉瓣位置进行流体力学测试,一次数据采
15、集10 个连续的心动周期求其平均值。将瓣膜从脉动测试仪主动脉瓣位置拆卸下来,重置模拟循环系统再次安装,最后取3次的平均值为该流量下的测试结果,平均跨瓣压差(meantransvalvular pressure,MTP)反流百分比(regurgitationfraction,RE)、有效开口面积(effective orificearea,EOA)、能量损耗(energy loss,eLoss)由系统程序自动算出。EOA的计算公式:EOA=式中51.6 ApEOA单位为平方厘米(cm);q v M s 为正压差期间的前向流(ml/s)均方根;Ap为平均压差(在正压差期间所测),单位为毫米汞柱(m
16、mHg);p 为测试液密度,单位为克/立方厘米(g/cm)。5.统计学方法:应用SPSS.23.0统计学软件对数据进行统计分析。计量资料以均数标准差(xs)表示,多组间比较采用单因素方差分析,两组数据比较采37qvRMSJ Med Res,February 2024,Vol.53 No.2论着用Studentt检验,以P0.05为差异有统计学意义。结果1.MTP比较:同一型号下,随着测试流量不断增加,瓣膜的MTP也随之增大。正常流量下,瓣膜的型号越大,MTP越小。实验组与对照组比较,GKS21A表1不同测试流量下实验组与对照组的平均跨瓣压差比较(xs,mmHg,n=10)型号组别实验组CKS
17、21A对照组实验组GKS 23 A对照组瓣除了低流量外,实验组比对照组的MTP小12%33%。G K S2 3A 瓣除了低流量和高流量测试条件外,接近人体流量条件下实验组比对照组的MTP小10%14%,两种规格比较,差异均有统计学意义(P0.01),详见表1。2L3.5L4.597 0.6022.641 0.0963.567 0.4843.936 0.2824.230 2.1465.2440.2204.327 1.9015.813 0.7685L11.229 0.19012.772 0.4699.565 1.33011.107 0.6157L22.390 0.40325.995 0.86920
18、.809 0.84721.200 0.5262.EOA比较:同一测试流量下,瓣膜的型号越大,EOA越大,但是存在流量较小(3.5L)时瓣膜不能完全打开的现象。实验组与对照组比较,GKS21A瓣除了极低流量状态(2 L)外,实验组的EOA比对照组表2 不同测试流量下实验组与对照组的有效开口面积比较(xs,cm,n=10)型号组别实验组GKS 21A对照组实验组GKS 23 A对照组大5%17%;GKS23A瓣除了在极低和极高流量的状态外,实验组的E0A比对照组大5%7%,两种型号实验组和对照组之间比较,差异均有统计学意义(P0.01),详见表2。2L3.5L0.968 0.0832.322 0.
19、0471.252 0.1111.978 0.0771.332 0.3921.702 0.0351.287 0.2921.619 0.0855L1.543 0.0171.469 0.0231.769 0.1101.651 0.0347L1.506 0.0121.429 0.0241.620 0.0391.603 0.0433.RE比较:同一型号下,随着流量的增大,瓣膜的RE减小,同一测试流量,瓣膜的型号越大,RE越小。实验组与对照组比较,GKS21A实验组比对照组表3不同测试流量下实验组与对照组的反流百分比比较(xs,%,n=10)型号组别实验组GKS 21A对照组实验组GKS 23A对照组小1
20、4%40%,GKS23A实验组比对照组大31%147%(P 0.0 5)。不同组别,GKS 21A实验组的eLoss比对照组小 8%8 4%;GKS 23A实验组的 eLoss 比对照组大10%6 4%(P0.01),详见表4。2L3.5L1.516 1.1136.387 1.4789.418 0.7858.830 0.7596.221 1.0305.902 1.4023.794 1.7934.806 1.2875L10.347 0.53811.220 0.4598.752 1.1017.603 1.0807L16.570 0.60018.946 0.80014.996 1.47013.594
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