新型心脏瓣膜瓣叶设计：基于刚性聚合物材料和仿生运动学的研究
新型心脏瓣膜瓣叶设计：基于高刚度聚合物材料与仿生运动学的研究
学术背景
心脏瓣膜疾病是全球范围内的重要健康问题，每年有超过85万患者需要接受心脏瓣膜置换手术。目前，临床上使用的心脏瓣膜主要分为两类：机械瓣膜和生物瓣膜。机械瓣膜由碳或钛制成，具有较长的耐久性，但其血液动力学性能较差，容易引发血流空化现象，且患者需要终身服用抗凝药物。生物瓣膜则由牛或猪的心包组织制成，虽然不需要长期抗凝治疗，但其耐久性较差，通常在长期使用后会出现瓣膜退化和结构性失效。因此，开发一种既能提供长期耐久性，又具有良好血液动力学性能的新型心脏瓣膜成为当前研究的重点。
近年来，全聚合物心脏瓣膜（PHV）因其材料设计的灵活性和制造工艺的简便性而受到关注。然而，现有的聚合物瓣膜在生物稳定性和耐久性方面仍存在不足。本研究旨在探索一种新型的瓣叶设计，利用高刚度聚合物材料（如聚醚醚酮，PEEK）来改善瓣膜的血液动力学性能和耐久性。
论文来源
本论文由Caroline C. Smid、Georgios A. Pappas、Nikola Cesarovic、Volkmar Falk和Paolo Ermanni共同撰写，作者分别来自ETH Zürich（瑞士苏黎世联邦理工学院）和Deutsches Herzzentrum der Charité（德国柏林夏里特医院）。论文于2024年11月26日在线发表在《Bio-design and Manufacturing》期刊上，DOI为10.1007/s42242-024-00309-y。
研究流程与结果
1. 瓣叶设计与概念化
研究首先对现有的单曲率瓣叶设计进行了基准测试，并提出了双曲率瓣叶设计的新概念。双曲率设计通过增加瓣叶的曲率半径，减少了有效弯曲刚度，从而改善了瓣膜的开启性能。研究团队设计了五种不同的双曲率瓣叶变体（V1-V5），并通过有限元分析（FEA）和体外实验对这些设计进行了评估。
2. 材料选择
研究选择了两种材料进行对比：一种是传统的软性聚氨酯（PU），另一种是高刚度的PEEK。PEEK的杨氏模量（Young’s modulus）约为2400 MPa，远高于天然瓣叶组织的4-15 MPa。研究团队通过真空成型技术制造了PEEK瓣叶，并对其厚度进行了优化。
3. 有限元分析
研究使用Abaqus软件对六种瓣膜设计进行了准静态隐式分析。通过壳单元（S4R）对瓣叶进行网格划分，模拟了瓣膜在生理血流条件下的开启和关闭行为。研究还计算了瓣叶的弯曲和膜应变能量比，以评估不同材料对瓣膜性能的影响。
4. 体外实验
研究团队开发了一种定制化的脉冲复制器（PD），用于在体外模拟生理血流条件。通过高分辨率摄像机和压力传感器，研究团队实时记录了瓣膜的开启压力（OP）、有效开口面积（OA）和跨瓣压差（ΔP）。实验结果表明，双曲率设计的瓣叶显著改善了瓣膜的开启性能，尤其是对于高刚度材料（如PEEK）。
5. 结果与讨论
研究结果显示，双曲率设计的瓣叶在开启压力方面表现出显著优势。最佳设计变体（V2）的开启压力比传统单曲率设计降低了47%（基于数值分析）和44%（基于实验数据）。此外，PEEK瓣膜的跨瓣压差与现有的生物瓣膜相当，表明其在血液动力学性能方面具有竞争力。
结论与意义
此研究首次提出了一种基于高刚度聚合物材料的双曲率瓣叶设计，显著改善了心脏瓣膜的开启性能。这种设计不仅适用于PEEK等高刚度材料，还为未来心脏瓣膜的优化设计提供了新的思路。研究结果表明，双曲率设计能够有效降低瓣膜的开启压力，同时保持良好的血液动力学性能，具有重要的临床应用潜力。
研究亮点
- 创新设计：首次提出双曲率瓣叶设计，显著改善了高刚度材料瓣膜的开启性能。
- 材料选择：使用PEEK等高刚度聚合物材料，结合仿生运动学设计，提升了瓣膜的耐久性和血液动力学性能。
- 实验验证：通过数值模拟和体外实验验证了设计的有效性，为未来心脏瓣膜的优化设计提供了可靠的数据支持。
其他有价值的信息
研究团队还开发了一种自动化的图像处理工具，用于实时跟踪瓣膜的有效开口面积（OA）。这一工具不仅提高了实验数据的准确性，还为未来心脏瓣膜的研究提供了新的技术手段。
该研究为心脏瓣膜的设计和材料选择提供了新的思路，具有重要的科学价值和临床应用前景。