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【摘要】 人工心脏瓣膜经过几代的发展，经临床验证，取得了很好的效果，但还不完善。而新兴的组织工程心脏瓣膜和高分子材料在人工心脏瓣膜领域的应用还处于起步阶段，一定时期内人工心脏瓣膜的需求依旧是机械心脏瓣膜占大多数。本文通过对4代人工机械心脏瓣膜发展和改进的研究，分析了人工机械心脏瓣膜优化设计及制造的几个关键环节。
【关键词】 机械心脏瓣膜;优化;设计;制造
【Abstract】 Synthetic heart valve have been developing for several periods and it proves them good effect during the clinical curative，but there are still some faults existing in the application.And on the contrary new emerging technol-ogy of tissue engineering heart valve and macromolecular material applied in the field of synthetic heart valve is still immature.In the predictable future mechanical heart valve would still share most of this market.This article focuses on analysis the key factors during the optimize design and manufacturing of mechanical heart valve through research on the development of four periods of mechanical heart valve.
【Key words】 mechanical heart valve;optimize;design;manufacture
1 引言
心脏瓣膜相当于单向阀门控制血液从心脏流进和流出。如果人的心脏瓣膜不能正常工作，轻则导致日常活动和工作能力的丧失，重则造成死亡。治疗心脏瓣膜疾病的根本方法是通过心脏外科手术安置人工心脏瓣膜。
人工心脏瓣膜产生至今，经过几代的发展和临床验证，取得了很好的效果。但固有的缺陷依旧存在，即机械瓣膜易致栓，需终生抗凝;生物瓣膜易钙化，使用寿命短。自进入本世纪后，人工心脏瓣膜的研发又有了新的进展。首先是组织工程的兴起，自体生物心脏瓣膜的研制，其次是高分子复合材料引入人工心脏瓣膜领域。但不论是组织工程还是高分子复合材料的应用都还处在起步阶段，若要大规模的应用，还需长期的临床验证，在一定时期内广泛应用的还将继续是传统的机械心脏瓣膜和生物心脏瓣膜。
现今广泛应用的机械心脏瓣膜和生物心脏瓣膜中 ［1］ ，前者占全世界整个市场的70%左右，而在发展中国家几乎是100%。主要是机械心脏瓣膜的使用寿命长（设计为100年以上），适用于青壮年患者，而生物心脏瓣膜主要是用于老年人。因而发展和完善机械心脏瓣膜还应是现阶段的当务之急。
2 人工机械心脏瓣膜的历史进展
人工机械心脏瓣膜的发展，先后经历了4代。1951年 ［2］ ，Hufnagel第1次将一只塑料制成的球笼瓣膜植入降主动脉内，以期纠正主动脉瓣关闭不全时的功能障碍，虽未成功但开创了人造瓣膜置换手术的新纪元。1960年，Harken首次采用人造球笼式机械瓣膜进行主动脉瓣置换获得成功。同年，Starr成功地进行球笼式瓣膜在二尖瓣原位置换手术。此后，Starr和Edwards又对球笼瓣膜在设计上进行了改进，Starr-Edwards球笼瓣问世，开创了第1代可用于临床的人造心脏瓣膜。最早的人造机械瓣膜的基本结构为“活塞式”，瓣口由金属环构成;一个圆形球体位于瓣环血流出口。在瓣口开放期间球体离开瓣口，血液绕过球体的四周向前流动，在瓣口关闭期间球体作为一个活塞完全堵住瓣口;球体由硅胶制成，瓣环上装有金属支架笼罩，以防球体脱位，所以称球笼式机械瓣膜。球笼式机械瓣膜投入临床应用后，诸多缺点暴露出来，如笼罩高大、整体重量重、血流动力学改善差等。针对上述缺点1964年又出现碟笼瓣膜，此为第2代人造心脏瓣膜。其基本原理为中心碟片活塞式，阀体多数采用透镜状的碟片，其活动受垂直于血流轴的平面调整，开放时过瓣血流通过其小的侧孔，因此，无论在静息或活动时，其跨瓣压差很大;碟片的活动容易受一些小的因素所干扰，如血栓、瓣下结构、心内膜等，会导致瓣膜机械障碍;由于碟片与笼架所选用的材料不合适，亦导致某些型号的碟片边缘磨损或支架断裂事故。尽管人们历时数年，对其做了很大的修改，但实践证明，这种瓣膜仍很不理想，这类人造瓣膜现已被全部弃用。但是，这一代人造心脏瓣膜开创了低瓣膜膜架设计的先例，为今后发展侧倾碟瓣，不论是单叶或双叶，都奠定了基础。因此，在人造心脏瓣膜的发展史中，有其重要的作用。
20世纪60年代末期，机械瓣膜出现两项重大改革:（1）Debakey将球笼式机械瓣膜的所有暴露部分均用热解碳镀层，热解碳硬度高、无渗透性、不吸水、不变形，化学性能稳定、不破坏血液成分，而且致血栓作用很小;（2）瓣叶设计的改进，将球形机械瓣膜改为倾斜式碟瓣，这样大大地减少了人工机械瓣膜在瓣口中心的阻力。1969年，以Bjork-Shiley瓣为代表的侧倾碟瓣问世，无论从结构设计及材料的选用方面，均迈出重大的一步，以后出现的众多侧倾碟瓣，其基本结构均相似。因此，侧倾碟瓣的问世，标志着人工机械瓣膜的研究进入了第3代。它的改进型侧倾碟瓣，至今仍为常用的人造心脏瓣膜。侧倾碟瓣临床应用中，无论是血流动力学改善程度，还是与人工心脏瓣膜有关的合并症发生率，均较满意。20世纪70年代末期，瓣叶的设计又出现了新的突破，即将单叶碟瓣改为双叶碟瓣。以St.Jude Medic双叶碟瓣为代表的问世标志着人工机械瓣膜的研究进入了第4代。这类机械瓣膜的叶片对血流影响更小，几乎不造成阻力，其血流方式相当于自然心脏瓣膜的中心血流方式。因此，目前世界上有多种双叶瓣先后问世。
根据近年大量的临床随访结果 ［3～4］ ，双叶机械瓣膜的血流动力学性能优良，与瓣膜有关的并发症发生率低，是目前临床应用最广和首选的人造瓣膜。但机械瓣膜固有的缺陷依旧存在，只是程度有所降低，如何使人工机械瓣膜的缺 陷指标降低到更小甚至是消除，仍是目前人工机械心脏瓣膜研发的重点。
3 人工机械心脏瓣膜优化设计制造的几个关键环节
人工机械心脏瓣膜设计的任务 ［5］ ，就在于利用血流产生的动力，寻求瓣叶或阻塞体、支架或铰轴机构与瓣环这3个部件的最佳组合，以求得最佳的性能，模拟自然心脏瓣膜的作用。机械瓣膜设计的要求应具有 ［6］ :（1）良好的机械特性:耐久性好;低瓣膜声响;高气穴腐蚀阀值及与血液相近的瓣叶比重。（2）良好的血流动力学特性:低跨瓣压差;低返流量;低能量损耗;低心内占有率及理想的有效开口面积。（3）良好的组织相容性:低致栓性;低溶血性。
3.1 结构设计的优化与创新 机械瓣膜结构上的优化可通过模拟分析、试验测试及临床统计分析为基础，调整优化瓣膜结构参数来改善原有的跨瓣压差、溶血、致栓等缺陷。
植入人体的人工心脏瓣膜，血液流经时瓣口对血流的阻滞作用会产生跨瓣压差，它是评价人工心脏瓣膜功能的最重要的血流动力学参数 ［7～8］ 。跨瓣压差越大，血流的速度梯度就越大，由此产生的剪应力也就越大。剪应力如果超过对血液成分引起破坏的阀值，就会引起溶血或亚溶血，甚至引起血管内皮细胞的损伤。
瓣环与瓣叶二者之间的配合，存在着潜在的间隙，间隙的大小，不但会影响瓣叶运动的灵活性，还会影响静态泄漏量的大小，并产生很高的剪切力破坏血细胞造成溶血;并且会形成喷射状混合层血流及血流扰动，引起的局部涡流，涡流是引起血栓的一个重要因素。另一方面，血流的扰动有利于血液对瓣膜自身的冲刷，可以减少血栓形成。
瓣叶在膜架内作开合运动，血流和瓣叶的耦合会产生血流流量迅速改变的不稳定现象，继而引发一定程度的水击效应。水击效应是一种与关闭机制有关的动力学特性 ［9］ ，严重时将引起瓣膜自身破损、溶血和亚溶血、组织损伤、脉波变形或功能紊乱。水击效应的压力振幅主要取决于瓣膜的峰值回流量和水击波传播速度，回流量的大小又取决于人工机械心脏瓣膜的构型和设计参数的选择，如铰轴的位置，开放的角度与安装的方位，瓣膜材质的比重和弹性模量，瓣叶的厚度与弯度等。
如何合理的优化瓣膜参数，就必须清楚的了解瓣膜工作时的血流动力学特性。血流动力学是流体力学与生物工程学等多学科的交叉学科，随着流体力学的相关分析软件的功能日趋强大和测试技术水平的提高，通过适当建立模型，合理设定边界条件可对瓣膜的血流流场及其特定部位进行精确的定性、定量分析，从而优化瓣膜的设计参数，缩短设计周期。
另外双叶瓣的临床效果好，但瓣膜的结构设计不应仅停留在原有结构上，还应不断有所创新。据俄《科学信息》杂志报道 ［10］ ，俄长期从事人工心脏瓣膜研究的“三个石炭纪”公司在现有的双瓣叶人工机械心脏瓣膜基础上，开发出由3个瓣叶构成的人工机械心脏瓣膜。俄科学院精密机械研究所专家对这种人工心脏瓣膜进行的试验表明，新式人工心脏瓣膜能保证正常的血液流动，接受移植的人其血压与正常心脏瓣膜产生的血压相差不超过5mmHg，而且移植后出现红细胞溶解和血栓的风险也比接受双瓣叶人工心脏瓣膜低一半。
3.2 材料的优化选择 目前广泛应用于人工机械心脏瓣膜的材料是钛、钛合金和热解碳 ［11～13］ ，并对材料表面进行改性处理。
对于生物医用材料，表面改性的目的是提高植入人体的生物相容性 ［14］ ，植入人体的生物医用材料的表面粗糙度、湿润度、化学组成、结晶度、异质和表面电荷等表面性能对生物相容性有直接的影响。对于和血液相接触的植入体，由于血小板、血细胞和蛋白质带有负电荷，血管壁也呈现负电性（-8～13mV）因而在血栓形成中表面电荷是很重要的。研究发现，材料表面带有适量的负电荷会产生某种蛋白质的吸附，形成钝化层，使得材料对血液的毒害性减小，从而具有更好的血液相容性。例如TiO 2 、TiN、TiC、TaN、SiC、Al 2 O 3 、类金刚石膜都可以提高植入体的抗腐蚀性和血液相容性 ［15～21］ 对材料表面改性处理使用的方法，表面改性镀膜与基体结合的紧密强度、防脱落程度、力学性能、工艺可行性及经济性是材料选择和优化的关键。
3.3 工艺的优化 一个产品性能质量的好坏，与其生产加工过程的工艺水平有很大的关系。即便是产品结构设计的再理想，工艺上实现不了;或工艺水平低下，达不到设计的精度要求;或是加工过程中工艺不合理，产品在加工过程中造成损坏，都将对产品质量产生影响，有些甚至是致命的危害。如何合理、经济的制定人工机械瓣膜的加工工艺，是保证瓣膜的加工精度、加工质量及成本的关键。
人工机械瓣膜的构型看起来较简单，但膜架和瓣叶的外形尺寸精度、位置精度、整体表面粗糙度要求都非常高，尤其是瓣膜的有些部位存在着异形结构，仅仅使用传统的加工方法根本不能满足设计要求，必须要借助各种精密的特种加工设备，例如慢走丝线切割机床、电火花加工机床、喷射光整机等设备。在加工过程中涉及到基准加工及基准转换而要求合理的安排加工顺序，在各个工序中为保证加工的稳定性和精度，还需配套研制使用各种专用夹具、量具。瓣膜与瓣叶的装配应使用专用工具，避免不必要的划伤及过大的应力应变，并辅以探伤检验。
3.4 检测手段 人工机械心脏瓣膜从最初原材料的理化分析，到产品的性能检测，再到最终成品的检验涉及到使用大量的专用仪器设备，进行体外疲劳试验 ［22］ 、流体力学试验等，例如疲劳试验机、定常流检测机、反流泄漏检测机、脉动流检测机等，各仪器设备的精度、计量人员的技术水平都将影响着瓣膜的质量。
4 结束语
综上所述，人工机械心脏瓣膜的每一次改良与发展，都是建立在人们对人工心脏瓣膜血流动力学认识的深入和新材料的应用基础之上的。随着测试技术、模拟仪器设备的不断改良与提高、新材料新技术以及计算机的广泛应用及长期的临床统计分析数据，都为人工机械瓣膜的进一步发 展和完善奠定了坚实的基础。
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作者单位:610065四川成都，四川大学制造科学与工程学院
（编辑:卉 梅）