Method Article
Там был возобновлен интерес к разработке полимера клапанов. Здесь целью является продемонстрировать возможность изменения коммерческих копировальных импульсом для размещения трехстворчатый геометрии и определить протокол представить полимера данных гидродинамического клапана по сравнению с отечественными и протезов клапанов данные, собранные в условиях близких к идентичных условиях.
Ограничения в настоящее время протезов клапанов, ксенотрансплантаты и гомотрансплантатов вызвали недавнее возрождение событиях в области трехстворчатый клапан полимера протезов. Тем не менее, идентификация протокола для первоначальной оценки функциональных полимеров гидродинамического клапана имеет первостепенное значение на ранних этапах процесса проектирования. Традиционные в пробирке импульсных систем дубликатор не настроены для размещения гибких трехстворчатый материалы, кроме того, оценка функциональности клапана полимера должно быть сделано в относительном контексте отечественной и протезов клапанов сердца при одинаковых условиях испытаний, так что изменчивость в разных измерениях инструментов можно избежать. Соответственно, мы провели оценку гидродинамических I) родной (N = 4, средний диаметр, D = 20 мм), II) би-листовку механический (N = 2, D = 23 мм) и III) полимера клапанов (N = 5, D = 22 мм) через использование коммерчески доступных системе копировальный импульса (ViVitro LabsInc, Виктория, Британская Колумбия), которая была модифицирована для трехстворчатый клапан геометрии. Трехстворчатый клапан силиконовый разработанная в Университете Флориды составили группу полимеров клапана. Смеси в соотношении от 35:65 до глицерин вода использовалась для имитации крови физические свойства. Мгновенный расход был измерен на границе левого желудочка и аорты единиц в то время как давление было записано в желудочка и аорты позиций. Би-листовки и родных данные клапана из литературы был использован для проверки потока и давления. Следующие показатели гидродинамического сообщалось: прямое падение давления потока, аортальный среднеквадратичной вперед расхода, закрытие аортального, утечки и объем регургитации, трансаортальный закрытия, утечки, и общие потери энергии. Представитель Результаты показали, что гидродинамические метрик из трех групп клапана может быть успешно получены путем включения заказ сборки в коммерчески доступных импульсная система дубликатор и subsequentlу, по сравнению с объективно дать представление о функциональных аспектах дизайна полимера клапана.
Заболевания клапанов сердца чаще возникает в результате дегенеративных кальцификации клапана 1, ревматизм 2, эндокардит 3,4 или врожденными дефектами. Когда клапан ущерб, вызывая стеноз и / или пролапс клапана регургитация и не могут быть устранены хирургическим путем, родной клапан обычно заменяется искусственный клапан. В настоящее время доступны варианты включают механические клапаны (клетки-шаровые краны, клапаны наклона диска и т.д.)., Гомографт и биопротезных клапаны (свиной и бычий клапанов). Механические клапаны часто рекомендуются для молодых пациентов на основе их прочность, однако пациент должен оставаться на антикоагулянтной терапии для предотвращения тромботических осложнений 5. Гомографт и биологические протезы клапанов были эффективные выборы, чтобы избежать крови, тоньше, терапии, однако эти клапаны имеют повышенный риск фиброза, кальцификации, дегенерация и иммуногенных осложнений, ведущих к отказу крана 6. Тканевой инженерии клапаны находятся под следствием в качестве новой технологии 7-9, но многое еще предстоит раскрыться. Альтернативные прочный, биосовместимые, искусственные клапаны, необходимые для улучшения качества жизни пациентов с заболеваниями сердца клапанов сердца. Опять же, эта конструкция клапана может заменить биопротеза используется в технологии транскатетерных клапана, с транскатетерных подходов показывает потенциал для преобразования обработка отдельных пациентов с сердечной болезнью клапана 10.
Как заявил действующими стандартами, успешную замену сердечного клапана должна иметь следующие характеристики: "1) позволяет прямого потока с приемлемо малой среднее снижение перепада давления, 2) предотвращает обратный поток с приемлемо малой срыгивания, 3) сопротивляется эмболизации, 4) сопротивляется гемолиз, 5) противостоит образование тромба, 6) является биосовместимым, 7) совместим с в естественных условиях диагностических методов; 8) доставке и имплантируемые в целевойнаселения; 9) остается неизменным после размещения; 10) имеет приемлемый уровень шума; 11) имеет воспроизводимую функцию; 12) сохраняет свою функциональность за разумную жизнь, в соответствии со своим универсальным классом; 13) сохраняет свою функциональность и стерильности для разумного полку жизни до имплантации ". 11. Некоторые недостатки существующих протезов клапанов потенциально могут быть преодолены с помощью клапана полимера. биосовместимые полимеры были рассмотрены верхний кандидатов на основе биостойкость, анти-гидролиза, антиокислительные, и выгодные механические свойства, такие как высокая прочность и вязкоупругости. В частности, эластомерных полимеров может обеспечить деформацию материала напоминающего родной динамику клапана. эластомеры могут быть приспособлены, чтобы имитировать свойства мягких тканей, и они могут быть только искусственные материалы, которые являются био-терпимыми и которые могут выдержать току, в живом организме, жидкость-индуцированной, изгиб и растягивающих напряжений, тем не менее, двигаться таким образом, напоминающие здоровым,родного движения клапана. Кроме того, эластомеры могут выпускаться серийно в различных размерах, с легкостью хранить, как ожидается, быть экономически эффективными устройствами и могут быть конструктивно дополнены волокнистой арматуры.
Понятие использованием полимерных материалов, чтобы собрать три-листовку клапан не нова и была предметом нескольких исследований исследований в течение последних 50 лет, 12, которые были оставлены в значительной степени из-за ограниченной прочностью клапана. Тем не менее, с появлением новых методик производства 13,14, укрепление полимерных материалов 15,16 и потенциально бесшовной интеграции полимера клапана заменителей транскатетерных технологии клапана, в последнее время отмечается повышенный интерес и активность в развивающихся полимера клапаны как потенциально жизнеспособная альтернатива в настоящее время коммерческие клапанов. В свете этого протокола для включения тестировании этих клапанов для оценки гидродинамической функциональность является первым шагомв процессе оценки, однако коммерчески доступные системы импульса симулятор как правило, не приходят оборудованные для размещения трехстворчатый клапан конструкции и содержат кольцевой расстояние вставить коммерчески доступных клапанов сердца (например, наклона диска, би-листовку механических клапанов сердца). Во-вторых, полимерные клапаны новой технологии гидродинамики которого может быть оценена только в относительном контексте. Даже при том, родной клапан сердца и поток данные доступны, важно проводить тестирование родной аорты свиньи клапаны, которые являются биологически похожи на человеческие клапаны, используя тот же пульсирующий тренажер, который используется для оценки полимера клапана таким образом, чтобы учесть измерение различия, которые могут быть в зависимости от системы. Таким образом, цель данного исследования было продемонстрировать, как коммерчески доступные импульса Тренажер может быть оснащен сборки для размещения трехстворчатый клапан конструкции и систематически оценивать полимера клапана гидродинамической метрик в относительной продолжениедоб по сравнению с механическими и родной свиного коллегами клапан сердца. В нашем случае, роман трехстворчатый клапан силиконовый полимер ранее разработанный в Университете штата Флорида 13 составили группу полимеров клапана.
1. Подготовка
2. Родные Вскрытие аортального клапана
3. Полимеров и собственный процесс наложения швов клапана
4. Оценка гидродинамических
Примечание: Фактическая протокол будет меняться в зависимости от конкретной системы дубликатор импульсов используется. Вся информация caontained здесь использован импульсный ViVitro Дубликатор Sysytem (ViVitro Labs, Inc, Ванкувер, Британская Колумбия).
5. Постобработки
Представитель потока и давления колебаний приведены на рисунках 3, 4 и 5. Эти участки были усредненные по образцу размер клапанов, состояние которых для каждой группы, который был, N = 5, 4 и 2 клапана для полимеров, родные свиньи и би-листовку, соответственно. Средний гидродинамический метрики и стандартной ошибки среднего для этих выборки представлены в таблице 1.
Рисунок 1. (А) Схема дубликатор ViVitro импульсная система показывает основные компоненты, которые реализуют Уиндкессел моделью для физиологически значимых потоков (рис. представленные здесь с разрешения ViVitro Systems, Inc, Британская Колумбия, Канада). (Б) Быстрое Прототип конфигурация клапана держатель и закрепить шов силиконом или родной свиной клапан на месте. (C) Modificatиона цикла ViVitro пульсирующей для размещения трехстворчатый клапан конструкции. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Рисунок 2. (А) нативного клапана свиньи. (Б) Вид сверху листовки полимера клапана. (C) Вид сбоку клапана полимера после наложения швов и обеспечения на месте в клапан-держателя. (D) Saint Jude би-листовку механический клапан. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Рисунок 3. Среднее мгновенной скорости потока 3 клапанов, состояние которых (N = 5, 4 и 2 клапана для полимеров, родные свиней D би-листовки, соответственно). Скорость потока измеряется с помощью электромагнитного расходомера подключен к неинвазивным расхода пробы размещены на границе расположения желудочка и аорты камеры (см. рисунок 1а). Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Рисунок 4. Среднее мгновенное давление желудочка 3 клапанов, состояние которых (N = 5, 4 и 2 клапана для полимеров, родные свиньи и би-листовки, соответственно). Желудочков давление измеряли в желудочке камеры с помощью микро-наконечник датчика давления. Наложенные литературы давление в желудочке значения для родных и би-листовку клапаны (диаметр: 29 мм) были получены от 18 и 19, соответственно.fig4large.jpg "целевых =" _blank "> Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок.
Рисунок 5. Среднее мгновенное давление аортального клапанов, состояние 3 (N = 5, 4 и 2 клапана для полимеров, родные свиньи и би-листовки, соответственно). Аортального давления измерялся только вниз по течению от положения клапана аорты с помощью микро-наконечник датчика давления. Наложенные литературы аортального давления литературе значений для родных и би-листовка (диаметр: 29 мм) клапаны были получены от 18 и 19, соответственно. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Би-листовка (N = 2) | (Полимер N = 5) | Мясо свиньи (N = 4) | ||||
Описание данных | Означать | SEM | Означать | SEM | Означать | SEM |
Площади отверстия аортального [P] (см 2) | 3,143 | 2,697 | 2,920 | 1,306 | 2,516 | 1,258 |
Площади отверстия аортального [F] (см 2) | 7.940 | 1,286 | 4,613 | 2,063 | 3,975 | 1,988 |
Площади отверстия аортального [H] (см 2) | 7,516 | 1,633 | 4,575 | 2,046 | 3,942 | 1,971 |
Вперед Перепад давления [P] (мм) | 17.000 | 0,054 | 22,284 | 12,007 | 40,795 | 11,670 |
Переслать Перепад давления [F] (мм) | 0.410 | 0,210 | 30,424 | 9.235 | 29,766 | 9.733 |
Вперед Перепад давления [H] (мм) | 26,520 | 0,120 | 50,790 | 4.230 | 5,610 | 4,970 |
Транс-аортальный Максимальное давление (мм рт.ст.) | 15.850 | 12.400 | 60,930 | 20.470 | 75.250 | 17,470 |
Аорты Действующий прямой расход [P] (мл / сек) | 88,280 | 11,110 | 162,120 | 24,970 | 189,080 | 32,610 |
Аорты Действующий прямой расход [F] (мл / сек) | 193,570 | 3,820 | 204,560 | 6,680 | 177,310 | 2,630 |
Аорты Действующий прямой расход [H] (мл / сек) | 197,790 | 0.630 | 174,760 | 11,530 | 182,680 | 3,160 |
Аорты Вперед объем (мл) | 68,180 | 6,430 | 55,390 | 3,660 | 64,200 | 1,750 |
Аорты Окончание объем (мл) | 62,260 | 0,860 | 32.990 | 9,820 | 45,260 | 11.990 |
Аорты утечки объем (мл) | 60,140 | 3,470 | 33,090 | 9.220 | 56,130 | 11.260 |
Общий объем регургитации (мл) | 122.400 | 4,320 | 66,080 | 17.200 | 101,390 | 23.160 |
Трансаортальный Вперед Потеря Поток энергии (МДж) | 80,321 | 4,65 | 115,287 | 17,354 | 184,325 | 12,354 |
Трансаортальный Окончание потери энергии (МДж) | 25,231 | 0.589 | 29.52 | 6,872 | 12,354 | 4,874 |
Трансаортальный Потеря утечки энергии (МДж) | 87,219 | 13,242 | 84.02 | 12,205 | 97,029 | 25,047 |
Трансаортальный полные потери энергии (МДж) | 192,771 | 23.51 | 228,827 | 47,254 | 293,708 | 36.483 |
Таблица 1. Среднее значение и стандартное ошибка среднего (SEM) гидродинамические метрики вычисляется для испытания клапанов сердца (n = 5, 4 и 2 клапана для полимеров, родные свиньи и би-листовки, соответственно). Следующие интервалы следует отметить: P: интервал, который начинается и заканчивается 0 TVP, F: интервал с прямого потока и H: интервал, начиная с 0 TVP и заканчивая 0 потоком. Средние диаметры клапанов были следующими: Полимер клапан (п = 5): 22 мм; родной клапан свиньи (п = 4): 20 мм, бI-листовка (N = 2): 23 мм. Малый размер выборки для двусторонней листовки клапана было вызвано недостатком образцы доступны для исследовательских целей; два би-листовку клапаны испытаны ранее передал в дар департамента биомедицинской инженерии в Международный университет Флориды по Санкт-Jude Medical (Сент-Пол, штат Миннесота).
В этом исследовании мы показали полезность изменения коммерчески доступных пульсирующей блока дубликатор для размещения трехстворчатый клапан геометрии так, что гидродинамические испытания полимера и естественных клапанов свиней может быть выполнена. В частности, в нашем случае, система Модифицированный ViVitro левых отделов сердца и системного имитатора системы (рис. 1а) управляются через ViViTest система сбора данных (ViVitro Systems, Inc, Виктория, Британская Колумбия, Канада). Тем не менее, система не является в отличие от ряда в пробирке, пульсирующей петли поток, который все используют двухкомпонентный Уиндкессел модели для имитации расхода и давления сигналов, имеющих отношение к человеку циркуляции 22-25. Эти двухкомпонентные системы Уиндкессел обычно состоят из пульсирующий насос, соблюдение камеру, которая имитирует растяжимость артерий, и периферийный контроллер сопротивление, которое может быть использовано для регулирования сосудистого сопротивления. Уравнение, описывающее два-ComponeNT Уиндкессел модели:
где С-соответствия, R сопротивление, Q (т) является объемным расходом в зависимости от времени и P является артериальное давление (т.е. либо в легочной артерии или аорты). В этой связи мы считаем, что подобная модификация может быть сделано, чтобы приспособить трехстворчатый клапан в других пульсирующей тренажеров, а также. В частности, в нашем случае, чтобы разместить три-листовку конструкции клапана в положение клапана аорты, сборка в основном из акрилового пластика (оргстекла) корпус, содержащий держатель клапан быстрого прототипа и пришивают три-листовку клапана (фиг. 1b и 1с), может быть легко интегрируются и удаляется из системы первичного ViVitro. Гидродинамические испытания проводились впоследствии был похож на другие исследования, проведенные Болдуин и др. 26.Ван и др.. 25 Мгновенный расход измерялась с помощью электромагнитного расходомера (рис. 3). В режиме реального времени измерения давления был записан на желудочков и трубопровод местоположение с помощью микроострийных преобразователи со скоростью набора сердца 70 уд / мин (фиг. 4 и 5). Тестирование жидкость была крови аналоговый жидкость, содержащую деионизированную воду до глицерина в 65% до 35% и соотношение 9 г / л NaCl, имитируя вязкости крови (~ 3,3 сП).
Мы изначально были испытаны механические би-листовку клапана и получены средние формы волны давления были по сравнению с литературными данными 19. Некоторые изменчивость давление в желудочке наблюдалось возможно вследствие различных механизмов насоса в месте, чтобы управлять потоком жидкости, а также геометрии и конкретные параметры различных импульсов копировальных систем, таких как размер камеры желудочка, конкретные клапан имитируя митральный клапан местоположение, частоту сердечных сокращений выбран, Физиологические потока выбрана форма волны, и т.д.. С другой стороны, аорты сигналов, оказались очень похожи, и независимый от системы. Это упражнение повторяется для естественных клапанов свиней и снова, больше изменчивости желудочка давление наблюдается при сравнении результатов к литературе 18. Однако, важно отметить, что в нашей системы мгновенного расхода, а также оба желудочка и аорты давление были одинаковыми, независимо от клапана, который был проверен, то есть полимер и сжатия при сборке или би-листовку без сборки. Это упражнение важно выполнять, потому что один должен гарантировать, что изменения в системе с дубликатор сборки существенно не изменит локальный поток и / или давления. Во-вторых, эти результаты показывают, что в качестве средства проверки системы, как минимум, сопоставимых давлении аорты нужно быть получены на различных платформах импульса копировальный аппарат или клапан проходит проверку. Интерпретациягидродинамических переменных себе является вопросом индивидуальные особенности клапана полимера дизайна. Такие стандарты, как ISO (Международная организация по стандартизации) 5840 используется в оценки сердечного протеза клапана может служить в качестве руководства для оценки различных параметров, связанных с геометрией полимера клапана, производства и свойств материала. Эти параметры могут быть дополнительно оптимизирована и гидродинамические испытания впоследствии пересмотрены для того, чтобы стандарты, необходимые для представления FDA будут выполнены.
Например, в нашей клапаны полимер, сопоставимые потери энергии и нижней регургитации объемы по сравнению с нативной и би-листовку клапаны предложил приемлемый нагрузки на левый желудочек 21 и эффективное закрытие клапана (табл. 1). Тем не менее, закрытие динамика привела к относительно более высоким полимером клапана максимального градиента TVP (по сравнению с би-листовку клапаны), которые в нашем случае, требует дальнейшего механического оценки силиконового материала, который намред для изготовления клапана для обеспечения более высокого напряжения не вызывает разрыв листовку, и достаточный запас прочности могут быть поставлены на место. В заключение, мы показали, что блок, состоящий из корпуса блока, стеклянную трубку и клапан Держатель может быть изготовлена для размещения трехстворчатый структур, таких как клапаны полимер, который может быть пришиты в-положении. Сравнительный расход и давление сигналов по родному, протезирование клапанов и полимерные, которые разрабатываются должны быть получены. Во-вторых, давление сигналы должны быть проверены с литературными данными. Ограничение нашего подхода является то, что сигналы являются желудочковая импульса дубликатор системы конкретных и, вероятно, чтобы показать различия, однако давление в аорте сигналы должны быть сопоставимы между платформами или клапан испытывается при наличии достаточных функциональных клапана существует. Будущего направления данной работы является дальнейшая оптимизация полимерного материала клапана, производственный процесс и геометрии. Гидродинамики тесты Вильл впоследствии быть повторен в тех же условиях, чтобы определить, если функциональные улучшения количественно наблюдали путем сравнения текущей и предыдущей метрики гидродинамический вычислено.
Авторы не имеют ничего раскрывать.
Семян грант от университета Флориды - медицинский колледж выражает искреннюю признательность. Аспирантура (Мануэль Салинас) была оказана помощь меньшинство возможности программы в области биомедицинских исследований - исследовательская инициатива для повышения научного (MBRS-RISE) общения: NIH / NIGMS R25 GM061347. Финансовая поддержка со стороны Уоллес H. Coulter через Фонд Международного университета Флориды, в биомедицинской инженерии Департамент также с благодарностью. Наконец, авторы выражают благодарность следующим студентам за их помощь на различных этапах экспериментального процесса: Kamau Pier, Малахия Suttle, Кендалл Армстронг и Авраама Альфонсо.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
Pump | ViVitro Labs | http://vivitrolabs.com/products/superpump/ | |
Flow Meter and Probe | Carolina Medical | Model 501D | http://www.carolinamedicalelectronics.com/documents/FM501.pdf |
Pressure Transducer | ViVitro Labs | HCM018 | |
ViVitro Pressure Measuring Assembly | ViVitro Labs | 6186 | |
Valve holder | WB Engineering | Designed by Florida International University. Manufactured by WB Engineering | |
Pulse Duplicator | ViVitro Labs | PD2010 | http://vivitrolabs.com/wp-content/uploads/Pulse-Duplicator-Accessories1.pdf |
Pulse Duplicator Data Acquisition and Control System, including ViViTest Software | ViVitro Labs | PDA2010 | http://vivitrolabs.com/products/software-daq |
Porcine Hearts and Native Aortic Valves | Mary's Ranch Inc | ||
Bi-leaflet Mechanical Valves | Saint Jude Medical | http://www.sjm.com/ | |
High Vacuum Grease | Dow Corning Corporation | http://www1.dowcorning.com/DataFiles/090007b281afed0e.pdf | |
Glycerin | McMaster-Carr | 3190K293 | 99% Natural 5 gal |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Fisher Scientific | MT21031CV | 100 ml/heart |
Antimycotic/Antibiotic Solution | Fisher Scientific | SV3007901 | 1 ml in 100 ml of PBS/heart; 20 ml for ViVitro System |
NaCl | Sigma-Aldrich | S3014-500G | 9 g/L of deionized water |
Deionized Water | EMD Millipore Chemicals | Millipore Deionized Purification System. 1.3 L for ViVitro System, 200 ml for heart valve dissection process |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены