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(guó)食品藥品檢定研究院，北京市，102629

2 蘇州邁迪威檢測(cè)技術(shù)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(jié)構(gòu)損毀、纖維化、粘連、縮短，黏液瘤樣變性，缺血性壞死，鈣質(zhì)沉著或者先天發(fā)育畸形，稱(chēng)為心臟瓣膜病[1]。心臟瓣膜病可嚴(yán)重?fù)p害瓣膜的正常功能，從根本上破壞血流動(dòng)力學(xué)[2]。當(dāng)有足夠的組織可供重建時(shí)，心臟瓣膜修復(fù)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(jī)械瓣膜和生物瓣膜兩種，與機(jī)械瓣膜相比，生物瓣膜血栓形成率低，水動(dòng)力性能好，不需要終身抗凝[4-6]。由于生物瓣膜臨床手術(shù)量較大，技術(shù)相對(duì)成熟，是目前主流的心臟瓣膜替換手術(shù)方式，國(guó)內(nèi)將會(huì)有更多企業(yè)研發(fā)生物瓣膜[7-10]。

生物瓣膜的主要缺點(diǎn)是長(zhǎng)期耐久性[11]，人工生物心臟瓣膜這類(lèi)需要長(zhǎng)期植入體內(nèi)的高風(fēng)險(xiǎn)性Ⅲ類(lèi)醫(yī)療器械，應(yīng)用到人體前必須對(duì)其安全性和有效性進(jìn)行充分的評(píng)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(biāo)[13-14]。已有的人工心臟瓣膜疲勞測(cè)試是模擬人體常規(guī)主動(dòng)脈環(huán)境（跨瓣壓差目標(biāo)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(huì)受到一個(gè)徑向位移，因此需要評(píng)測(cè)徑向位移對(duì)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(cè)試方法，對(duì)一種國(guó)產(chǎn)生物瓣膜支架在徑向位移作用下的疲勞耐久性能進(jìn)行初步測(cè)試研究，為生物瓣膜支架的疲勞測(cè)試提供一個(gè)方向。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中試驗(yàn)樣品為國(guó)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(gè)。

試驗(yàn)所用溶液為磷酸鹽緩沖液。

1.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)使用的儀器為Bose Corporation公司生產(chǎn)的3510型動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)，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(cè)量系統(tǒng)精度：±1 ℃。

1.3 試驗(yàn)方法

目前人工心臟瓣膜疲勞測(cè)試是模擬人體常規(guī)主動(dòng)脈環(huán)境（跨瓣壓差目標(biāo)峰值為100 mmHg）下瓣葉的性能、瓣環(huán)和瓣葉的磨損，試驗(yàn)過(guò)程中瓣膜支架結(jié)構(gòu)處于固定狀態(tài)，沒(méi)有體現(xiàn)臨床使用過(guò)程中的疲勞形式。該試驗(yàn)方法參考GB 12279-2008和ISO 5840-2:2015標(biāo)準(zhǔn)，將瓣膜支架安裝到動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)上，浸沒(méi)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(yàn)方法，評(píng)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(gè)頂端同時(shí)徑向移動(dòng)，設(shè)計(jì)如圖2所示的錐形罩，當(dāng)錐形罩上下移動(dòng)的時(shí)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(dòng)的位移，邊c為瓣膜支架頂端在斜面上的移動(dòng)軌跡，邊b為瓣膜支架頂端徑向移動(dòng)的位移，根據(jù)三者的幾何關(guān)系有：

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

安裝完成試驗(yàn)工裝后，設(shè)定瓣膜支架端部的徑向位移為0.365 mm。可知本次測(cè)試樣品測(cè)試條件b=0.365。本次設(shè)計(jì)測(cè)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(dòng)1.12 mm，可實(shí)現(xiàn)瓣膜支架端部徑向位移0.365 mm。

1.4 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

在試驗(yàn)中及試驗(yàn)完成后，從磨損、松脫、結(jié)構(gòu)變形、裂紋和凹坑五個(gè)方面來(lái)評(píng)估樣品的性能，疲勞試驗(yàn)后接收標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。重點(diǎn)觀察瓣膜支架部位，如圖3、圖4所示。

圖3 瓣架重點(diǎn)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(diǎn)觀察區(qū)域Fig.4 Key observation areas of the valve stent under stereomicroscope

表1 疲勞試驗(yàn)后接收標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Acceptance criteria after fatigue test

2 結(jié)果

此次研究的樣品為經(jīng)過(guò)4億次加速疲勞試驗(yàn)后的M33規(guī)格人工生物心臟瓣膜支架。對(duì)試驗(yàn)后瓣膜支架樣品進(jìn)行無(wú)水乙醇清洗處理，使用體視顯微鏡對(duì)瓣架重點(diǎn)觀察區(qū)域進(jìn)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(jìn)行全部位掃描，觀察發(fā)現(xiàn)瓣膜支架結(jié)構(gòu)完整，均未出現(xiàn)斷裂、明顯磨損、絲材與套管松脫、結(jié)構(gòu)扭曲變形、裂紋和明顯的凹坑現(xiàn)象（見(jiàn)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(yàn)針對(duì)生物瓣膜支架在臨床使用過(guò)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(guò)4億次加速疲勞試驗(yàn)后，瓣膜支架結(jié)構(gòu)完整，無(wú)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(biāo)準(zhǔn)要求瓣膜支架設(shè)計(jì)壽命大于10年，目前人工心臟瓣膜疲勞測(cè)試是模擬人體常規(guī)主動(dòng)脈環(huán)境（跨瓣壓差目標(biāo)峰值為100 mmHg）下瓣葉的性能、瓣環(huán)和瓣葉的磨損，試驗(yàn)過(guò)程中瓣膜支架結(jié)構(gòu)處于固定狀態(tài)。本試驗(yàn)提供一種生物瓣膜支架疲勞測(cè)試方法，可更好地評(píng)估瓣膜支架的預(yù)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(lái)的疲勞形式，未考慮到植入縫合部位組織對(duì)瓣膜支架結(jié)構(gòu)的影響。因此應(yīng)根據(jù)人工生物心臟瓣膜自身設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)合臨床瓣膜支架徑向位移數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)和建立更嚴(yán)格的測(cè)試方法來(lái)科學(xué)客觀地評(píng)估其疲勞性能。