外科植入式人工生物心脏瓣膜支架疲劳性能的研究方法

【作 者】刘丽，刘卫，邹文才，王晨曦，徐红霞，王春仁

1 中国食品药品检定研究院，北京市，102629

2 苏州迈迪威检测技术有限公司，苏州市，215123

0 引言

心脏瓣膜（包括瓣叶、腱索及乳头肌）的炎症引起的结构损毁、纤维化、粘连、缩短，黏液瘤样变性，缺血性坏死，钙质沉着或者先天发育畸形，称为心脏瓣膜病[1]。心脏瓣膜病可严重损害瓣膜的正常功能，从根本上破坏血流动力学[2]。当有足够的组织可供重建时，心脏瓣膜修复通常比心脏瓣膜置换更可取，然而在许多心脏瓣膜疾病中，瓣膜更换是不可避免的[3]。人工心脏瓣膜有机械瓣膜和生物瓣膜两种，与机械瓣膜相比，生物瓣膜血栓形成率低，水动力性能好，不需要终身抗凝[4-6]。由于生物瓣膜临床手术量较大，技术相对成熟，是目前主流的心脏瓣膜替换手术方式，国内将会有更多企业研发生物瓣膜[7-10]。

生物瓣膜的主要缺点是长期耐久性[11]，人工生物心脏瓣膜这类需要长期植入体内的高风险性Ⅲ类医疗器械，应用到人体前必须对其安全性和有效性进行充分的评估[12]。而心脏瓣膜支架的疲劳耐久性则是反映瓣膜安全性和有效性的重要指标[13-14]。已有的人工心脏瓣膜疲劳测试是模拟人体常规主动脉环境（跨瓣压差目标峰值为100 mmHg，1 mmHg=133.32 Pa）下瓣叶的性能、瓣环和瓣叶的磨损[15-17]，然而生物瓣膜在植入人体后，临床观察瓣膜支架在体内会受到一个径向位移，因此需要评测径向位移对瓣膜支架疲劳性能的影响。

笔者研究了一种生物瓣膜支架的测试方法，对一种国产生物瓣膜支架在径向位移作用下的疲劳耐久性能进行初步测试研究，为生物瓣膜支架的疲劳测试提供一个方向。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本试验中试验样品为国内某公司生产的人工生物心脏瓣膜支架，其规格为M33，数量为3个。

试验所用溶液为磷酸盐缓冲液。

1.2 试验仪器

本试验使用的仪器为Bose Corporation公司生产的3510型动态疲劳试验机，仪器符合以下条件要求：

（1）位移量程：-25 mm～25 mm；

（2）位移控制精度：≤1 %；

（3）温度测量系统精度：±1 ℃。

1.3 试验方法

目前人工心脏瓣膜疲劳测试是模拟人体常规主动脉环境（跨瓣压差目标峰值为100 mmHg）下瓣叶的性能、瓣环和瓣叶的磨损，试验过程中瓣膜支架结构处于固定状态，没有体现临床使用过程中的疲劳形式。该试验方法参考GB 12279-2008和ISO 5840-2:2015标准，将瓣膜支架安装到动态疲劳试验机上，浸没在（37±2）℃的磷酸盐缓冲液中，为瓣膜支架施加径向位移，使其不断弯曲和变形，模拟瓣膜支架在体内的受力状态，使用加速疲劳的试验方法，评估瓣膜支架的疲劳寿命和可能的失效模式。瓣膜支架的变形，如图1所示。

图1 瓣架变形示意Fig.1 Schematic diagram of valve stent deformation

为了使瓣膜支架的三个顶端同时径向移动，设计如图2所示的锥形罩，当锥形罩上下移动的时候，斜面挤压瓣膜支架顶端，使其变形。其中边a为斜面上下移动的位移，边c为瓣膜支架顶端在斜面上的移动轨迹，边b为瓣膜支架顶端径向移动的位移，根据三者的几何关系有：

图2 试验工装及锥形罩示意Fig.2 Diagram of test fixture and conical cover

安装完成试验工装后，设定瓣膜支架端部的径向位移为0.365 mm。可知本次测试样品测试条件b=0.365。本次设计测试锥形罩的角度β=18o。

根据式（1），可知：

a=b/tanβ=1.12

即锥形罩上下移动1.12 mm，可实现瓣膜支架端部径向位移0.365 mm。

1.4 试验目标

在试验中及试验完成后，从磨损、松脱、结构变形、裂纹和凹坑五个方面来评估样品的性能，疲劳试验后接收标准如表1所示。重点观察瓣膜支架部位，如图3、图4所示。

图3 瓣架重点观察区域示意Fig.3 Schematic diagram of key observation areas of valve stent

图4 体视显微镜下瓣膜支架重点观察区域Fig.4 Key observation areas of the valve stent under stereomicroscope

表1 疲劳试验后接收标准Tab.1 Acceptance criteria after fatigue test

2 结果

此次研究的样品为经过4亿次加速疲劳试验后的M33规格人工生物心脏瓣膜支架。对试验后瓣膜支架样品进行无水乙醇清洗处理，使用体视显微镜对瓣架重点观察区域进行放大观察，并使用扫描电子显微镜分别在20×、100×和200×倍率下进行全部位扫描，观察发现瓣膜支架结构完整，均未出现断裂、明显磨损、丝材与套管松脱、结构扭曲变形、裂纹和明显的凹坑现象（见图5）。

图5 扫描电镜下瓣膜支架表面影像Fig.5 Surface image of the valve stent under scanning electron microscope

3 讨论

本试验针对生物瓣膜支架在临床使用过程中的疲劳形式，给瓣膜支架端部施加0.365 mm径向位移，经过4亿次加速疲劳试验后，瓣膜支架结构完整，无影响其功能的失效模式。参考GB 12279-2008《心血管植入物 人工心脏瓣膜》和ISO 5840-2:2015 《Cardiovascular Implants-Cardiac Valve Prostheses-Part 2 Surgically Implanted Heart Valve Substitutes》，标准要求瓣膜支架设计寿命大于10年，目前人工心脏瓣膜疲劳测试是模拟人体常规主动脉环境（跨瓣压差目标峰值为100 mmHg）下瓣叶的性能、瓣环和瓣叶的磨损，试验过程中瓣膜支架结构处于固定状态。本试验提供一种生物瓣膜支架疲劳测试方法，可更好地评估瓣膜支架的预期性能。然而本次研究只考虑了心脏收缩舒张给瓣膜支架带来的疲劳形式，未考虑到植入缝合部位组织对瓣膜支架结构的影响。因此应根据人工生物心脏瓣膜自身设计特点，结合临床瓣膜支架径向位移数据，设计和建立更严格的测试方法来科学客观地评估其疲劳性能。