人工心脏瓣膜

人工心脏瓣膜主要有三种类型机械型，生物型，和组织工程型。

• 机械心脏瓣膜
  • 经皮植入
    • 支架框架
    • 没有框架
  • 胸骨切开术 / 胸廓切开术植入术
    • 球和笼子
    • 倾斜圆盘
    • 双叶瓣
    • 三叶瓣
• 组织(生物)心脏瓣膜
  • 同种异体移植物 / 同种移植物
  • 异种移植物
• 组织工程心脏瓣膜

• 锚
• 瓣膜

机械心脏瓣膜(MHV)是用来复制人类心脏天然瓣膜功能的假体。人类心脏包含四个瓣膜:三尖瓣、肺动脉瓣、二尖瓣和主动脉瓣。它们的主要目的是保持通过心脏和从心脏到连接心脏、肺动脉和主动脉的主要血管中的血液畅通无阻地向前流动。由于多种疾病过程，包括获得性和先天性的，四个心脏瓣膜中的任何一个都可能发生故障，并导致狭窄(阻碍正向流动)和/或反向流动(回流)。这其中任一过程都会加重心脏负担，并可能导致严重问题，包括心力衰竭。机械心脏瓣膜旨在用它的假体替换患病的心脏瓣膜。

有两种基本类型的瓣膜可用于瓣膜置换，机械瓣膜和组织瓣膜。现代机械阀门可以无限期使用(相当于在加速阀磨损测试仪中工作超过50，000多年)。^{[来源请求]}然而，目前的机械心脏瓣膜都需要用抗凝剂(血液稀释剂)进行终身治疗，例如华法林，这需要每月进行血液测试进行监测。^[3]这种稀释血液的过程叫做抗凝。相比之下，组织心脏瓣膜不需要使用抗凝血药物，因为改善的血流动力学导致较少的红细胞损伤，因此较少形成凝块。然而，它们的主要弱点是寿命有限。由猪心瓣制成的传统组织瓣膜在他们需要替换之前(但通常在年轻患者中较少)的平均寿命为15年^[4]。

3.1 机械心脏瓣膜的类型

有三种主要类型的机械瓣膜–笼球型,倾斜圆盘型和双瓣型–以及以这三种形式进行修改后的机械瓣膜。

第一类人造心瓣膜是笼球型，其利用金属笼来容纳硅树脂弹性球。当心脏腔室中的血压超过腔室外部的血压时，球被推向笼子并允许血液流动。心脏收缩完成后，心室内的压力下降，低于瓣膜外的压力，因此球会移回瓣膜底部形成密封。1952年，查尔斯·胡夫纳格尔(Charles A. Hufnagel)在10名患者中植入了笼球瓣膜(6名手术后存活)，标志着人工心脏瓣膜的首次长期成功。^[5]迈尔斯·“洛厄尔”爱德华兹（Miles "Lowell" Edwards）和艾伯特·斯塔尔(Albert Starr)在1960年发明了一种类似的人工心脏瓣膜(通常称为斯塔尔-爱德华兹硅橡胶球瓣膜)。^[6]第一次人体植入是在1960年9月21日。它由一个封装在保持架中的硅树脂球组成，保持架由源自瓣膜壳的钢线形成。笼球瓣膜很容易形成血凝块，因此患者必须有高度的抗凝血能力，通常的目标INR是2.5–3.5。 爱德华生命科学(Edwards Lifesciences)在2007年停止了斯塔尔-爱德华兹瓣膜的生产。

不久之后出现了倾斜圆盘瓣膜。第一个临床可用的倾斜盘瓣膜是比约克-希利瓣膜(Bjork-Shiley valve)，自1969年推出以来，已经经历了几次重大的设计变化。倾斜盘形瓣膜有一个由金属支柱控制的圆形限流器。它们由覆盖有膨体聚四氟乙烯织物的金属环制成，其中缝有缝合线，以便将瓣膜保持在适当的位置。金属环通过两个金属支架支撑着一个圆盘，当心脏通过瓣膜泵血时，圆盘打开和关闭。阀瓣通常由极其坚硬的碳材料(热解碳)制成，以便瓣膜能够运行多年而不会磨损。美敦力霍尔(Medtronic-Hall)模型是美国最常见的倾斜盘设计。在某些型号的机械瓣膜中，阀瓣分为两部分，像门一样打开和关闭。

双叶瓣心脏瓣膜包括两个半圆形叶片，这两个叶片围绕连接到瓣膜壳体上的支柱旋转。这种设计是在1979年推出的虽然它们解决了其他模型中出现的一些问题，但双叶瓣膜很容易回流，因此不能被认为是理想的。然而，双叶瓣确实比笼球或倾斜盘瓣膜提供了更自然的血流。这些瓣膜的主要优点之一是它们被身体很好地耐受。患者每天只需要服用少量血液稀释剂，以防止血液流经瓣膜时凝结。

这些双叶瓣膜的优点是它们具有更大的有效开口面积(单瓣叶瓣膜为2.4-3.2平方厘米c . f . 1.5-2.1)。此外，它们是人工瓣膜中血栓形成性最少的。

如今，机械心脏瓣膜非常可靠，可以让患者过上正常的生活。大多数机械瓣膜至少可以使用20到30年。

3.2 持久性

传统上，机械心脏瓣膜被认为比生物瓣膜假体更耐用。支柱和限流器由热解碳或涂有热解碳的钛制成，缝合环箍特氟隆(聚四氟乙烯)、聚酯或涤纶。主要载荷来自瓣膜关闭时和关闭后产生的跨瓣膜压力，如果发生结构故障，通常是由于限流器对部件的冲击。

冲击磨损和摩擦磨损决定了机械瓣膜材料的损耗。冲击磨损通常发生在双瓣膜的铰链区域、倾斜盘瓣膜中的限流器和环之间以及笼球瓣膜中的球和保持架之间。倾斜盘中的限流器和支柱之间，以及瓣膜枢轴和瓣膜铰链腔之间都会发生摩擦磨损。

机械瓣膜由金属制成，由于金属的多晶体特性，也容易疲劳失效，但是这对于热解碳机械瓣膜来说不是问题，因为这种材料本质上不是晶体。

3.3 空化现象

空化现象是一种可能导致机械瓣膜失效的事件。虽然这种情况相对较少发生，但在1988年爱德华兹-杜拉医学(Edwards-Duramedics)双瓣膜中20，000份植入物报告中有46例故障与空化损伤相关。从那时起，制造商已经将空化试验作为设计验证过程的一个重要部分。空化是指在给定温度下，由于局部压力下降到汽化压力以下，在流体中快速形成气态微泡。当空化条件存在时，将形成气泡，并且在压力恢复时，气泡将塌陷或内爆。这一事件将导致压力或热冲击波和流体微射流，从而损坏表面。已知这些热力学条件是机械瓣膜相关侵蚀的原因。

导致这种空化条件存在的是机械瓣膜的闭合机制。已经确定了与瓣膜关闭相关的空化现象的几个原因。挤压流是一种在闭合过程中，当限流器接近壳体时会发生的空化现象，流体在限流器和壳体之间被挤压，导致形成低压。水锤是瓣膜封堵器接触阀门外壳时突然停止引起的空化现象。这种流体逆行惯性的突然延迟使流体处于张力下，导致空化现象。挤压流在限流器的圆周唇缘形成气泡云，而水锤被认为是限流器壳体处的瞬态气泡。

无论是哪种情况，空化都发生在瓣膜的上游侧。临床上，空化是二尖瓣位置的主要问题。由于心室压力突然升高，迫使瓣膜关闭，而左心房压力较低，这被认为是发生空化的最坏情况，因此该位置特别苛刻。空化也被怀疑是血细胞损伤和血栓栓塞并发症风险增加的一个因素。

左心室的瞬时变化率，测量为心室压力曲线的斜率(^dP⁄_dt)被认为是评估潜在空化可能性的最佳指标。大多数机械瓣膜研究只有当^dP⁄_dt远远高于生理范围时产生空化作用。然而，研究发现，几种倾斜瓣膜和爱德华兹-杜隆医学双叶瓣膜在生理范围内也会产生空化。调查反复表明，除了爱德华兹·杜拉医学的设计之外，双叶瓣膜仅在^dP⁄_dt远高于生理范围的水平时发生空化。

3.4 流体力学

许多与机械瓣膜相关的并发症可以通过流体力学来解释。例如，血栓的形成是瓣膜设计产生的高剪切应力的副作用。从工程角度来看，理想的心脏瓣膜将产生最小的压降，具有较小的回流体积，最小化湍流，降低高应力的发生率，并且不会在瓣膜附近产生流动分离。

衡量瓣膜质量的一个指标是有效节流面积(EOA)，其计算方法如下:

式中   为收缩压 / 舒张压流速均方根(立方厘米/秒)，   是平均收缩压/舒张压降(mmHg)。这是假体阻碍血液流过瓣膜的程度的量度。较高的EOA对应较小的能量损失。性能指数（PI）通过瓣膜尺寸将EOA标准化，是与瓣膜尺寸无关的瓣膜阻力特性量度。双叶瓣膜通常比斜盘式瓣膜具有更高的性能指数，斜盘式瓣膜又比笼球式瓣膜具有更高的性能指数。

当血液流过人工心脏瓣膜时，由于瓣膜外壳内横截面积的减小，瓣膜上会出现突然的压降。这可以通过连续性方程和伯努利方程来量化:

式中A代表横截面积，P是压力，   密度为密度，并且V是速度。随着瓣膜横截面积的减小，血流速度增加，血液压力下降。这种效应在笼球瓣膜中比在倾斜圆盘瓣和双叶瓣膜中更为显著。为了补偿较大的压降，需要较大的收缩压来推动流量向前，因此应将压降降至最低。

回流是瓣膜关闭过程中的逆流和关闭后的泄漏流的总和。它与瓣膜尺寸成正比，也取决于瓣膜类型。通常，笼球瓣膜回流量低，因为泄漏很少。倾斜圆盘瓣瓣和双叶瓣膜回流量差不多，双叶瓣膜稍大。在这种情况下，生物人工瓣膜优于机械人工瓣膜，因为它们实际上没有回流体积。

湍流和高剪切应力也是机械瓣膜的主要问题，因为它们会使瓣膜壳或部件破裂，或者导致血液损伤。大的血流梯度会导致这些因素，因此应尽可能减少血液流动分离和停滞。在笼球瓣膜中环形射流的边缘、在倾斜圆盘瓣膜中主喷孔射流边缘的狭窄区域以及在双叶瓣膜中紧邻瓣膜小叶的区域产生高应力。这些压力对血液损伤的影响将在下一节讨论。

空化现象也可以用流体力学来描述。这可能是压力振荡、流量减速、尖端涡流、流线收缩和挤压射流造成的。最后一个原因是空化的最主要因素。挤压射流是在瓣膜关闭时形成的，封堵器和瓣膜外壳之间的血液被“挤压”出来以产生高速射流。这反过来又会产生压力非常低的强烈涡流，从而导致气穴现象。

3.5 血液损伤

机械心脏瓣膜主要缺点之一是植入后患者需要持续的抗凝血治疗。由红细胞和血小板损伤形成的凝块会阻塞血管，并导致非常严重的后果。凝血发生在三种基本途径之一:组织因子暴露、血小板活化或外源物质的接触活化，以及三个步骤:启动、扩增和传播。

在组织因子暴露路径中，当细胞破裂并释放组织因子(TF时)，凝血过程启动。血浆因子(f) VII与TF结合并引发链式反应，该反应激活fXa和fVa，fXa和fVa相互结合以产生凝血酶，凝血酶反过来激活血小板和fVIII。血小板在起始阶段通过与受损组织结合而活化，纤维蛋白在传播阶段稳定凝块。

当压力达到6-8 Pa (60–80 dyn/cm²)以上时，血小板活化途径被触发。与此相关的步骤尚不清楚，但起始于血浆中的vWF与血小板上的GPIb的结合。接下来是大量钙的流入²⁺激活血小板的离子。GPIIb-IIIa在扩增过程中促进血小板-血小板粘附。传播步骤仍在研究中。

当fXII结合到促凝血表面时，接触激活开始。这反过来激活前激肽释放酶(PK)和高分子量激肽原(HK)。最终，HKa-PK和HKa-fXI复合物在表面形成。在扩增过程中，Hka-FXIa复合物激活fIX至fIXa，fIXa反过来形成凝血酶和血小板。蛋白质聚集在表面，在传播阶段促进血小板粘附和组织生长。

由于高剪切应力、停滞和流动分离，所有机械瓣膜模型都容易形成血栓。笼球设计在壁上承受高应力，这可能会损坏细胞，以及由于停滞流包围的高速逆流导致的流分离。由于高速和滞流的结合，倾斜圆盘瓣膜在杆和瓣后面有流动分离。双叶瓣膜模型在前向和泄漏流以及铰链区域的相邻滞流中具有高应力。事实证明，铰链区是双叶瓣膜最关键的部分，也是血栓形成的主要部位。

一般来说，血液损伤会影响二尖瓣和主动脉瓣处的人工瓣膜。主动脉瓣泄漏流期间的高应力是由较高的跨瓣压力引起的，二尖瓣正向流动期间出现高应力。瓣膜血栓形成在二尖瓣膜假体中最常见。在控制这个问题方面，笼球模型比其他两个模型更好，因为它血栓形成的风险更低，并且当血栓确实发生时是渐进的。双叶瓣膜比倾斜盘瓣膜更能适应这个问题，因为如果一个叶片停止工作，另一个仍然可以工作。然而，如果铰链被堵塞，两个叶片都将停止工作。

因为所有模型都承受高压力，植入机械心脏瓣膜的患者需要抗凝血治疗。生物假体不太容易发展成血凝块，但在耐久性方面的权衡通常倾向于在大于55岁的老年患者中使用.

机械性心脏瓣膜也可导致机械性溶血性贫血，红细胞通过瓣膜时发生溶血。

生物瓣膜是动物的心脏瓣膜，如猪的，为了使它们适合植入人类心脏，需要经过一些化学处理。猪的心脏与人类心脏最相似，因此代表最适合替换的解剖结构。猪瓣膜的植入是一种异种移植，也称为异体移植，这意味着从一个物种(在这种情况下是猪)移植到另一个物种。异种移植有一些风险，例如人体排斥外来物质的倾向。药物可以用来延缓这种效应，但并不总是成功的。

另一种生物瓣膜利用生物组织制作小叶，将其缝合到金属框架中。这种组织通常从牛或马的围心囊(Pericardial Sac)中获取。围心囊由于其极其持久的物理特性，特别适合瓣膜小叶。这种生物瓣膜是极其有效的瓣膜替换手段。对组织进行消毒，从而去除生物标记，可以消除宿主免疫系统的反应。叶片是灵活和耐用的，不需要患者在余生服用血液稀释剂。

美国、英国和欧盟最常用的心脏瓣膜是那些利用组织小叶的瓣膜。机械瓣膜在亚洲和拉丁美洲更常用。以下公司生产组织心脏瓣膜: 爱德华生命科学，美敦力，圣 裘德医疗，索林，美敦力ATS医疗，3F 治疗学、冷冻生命(CryoLife) 和生命网络健康(LifeNet Health) 。

最近，研究人员开始在体外培养心脏瓣膜。自体细胞接种在支架上，支架通常由可生物降解的聚合物如PGA或PLA制成。支架充当人工细胞外基质，引导组织生长到心脏瓣膜的正确三维结构中。必须在培养物中模拟机械刺激，以便在体内调节组织的生理应激。这些心脏瓣膜还没有达到临床试验。^[7]

天然心脏瓣膜的功能有许多优点:

• 最小回流–这意味着瓣膜关闭时上游损失的血液量很少。例如，当二尖瓣关闭时，通过二尖瓣的关闭回流将导致一些血液从左心室损失到左心房。一定程度的瓣膜回流是自然的不可避免，心脏每次跳动约回流血液5ml。^[8]然而，几种心脏瓣膜病变(例如风湿性心内膜炎)可能导致临床上显著的瓣膜返流。心脏瓣膜假体的一个理想特征是回流在整个生理心脏功能范围内最小(即心输出量相对于心率的完整功能)。
• 最小跨瓣压力梯度–每当流体流过节流器(如瓣膜)时，压力 梯度出现在限流器两侧。这种压力梯度是流经节流装置的阻力增加的结果。自然心脏瓣膜具有低的跨瓣膜压力梯度，因为它们对通过自身的流动几乎没有阻碍，通常小于16 mmHg。心脏瓣膜假体的一个理想特征是它们的经瓣膜压力梯度尽可能小。
• 不形成血栓的–由于天然心脏瓣膜衬有内皮它们与心室的内皮细胞相连，通常不会形成血栓。心脏瓣膜尖形成血栓并成为细菌的种子，即所谓的“细菌植被”，这一点需要得到重视。这种植被对身体来说很难像平常一样处理，因为生理的瓣膜小叶内不存在防御机制，因为它们是无血管的，并且主要由结缔组织组成。一旦瓣叶上形成细菌植被，它们可能会继续播种细菌进入动脉树这可能导致菌血症或者败血病。部分植被也可能断裂形成脓毒性栓塞。脓毒性栓塞可以藏在动脉树中的任意位置(例如脑,内部,肺)引起局部感染病灶。即使是未感染的血栓中分离的碎片也可能是危险的，因为它们可能会滞留并阻塞下游动脉(例如冠状动脉导致心肌梗死,大脑动脉导致中风，参见栓塞)中。心脏瓣膜假体的一个理想特征是它们不形成血栓或血栓形成程度最低。
• 自修复——尽管与血管化良好的组织(如肌肉)相比，瓣膜小叶确实保留了一定的修复能力，因为组成小叶的结缔组织中存在再生细胞细胞(如成纤维细胞)。一个典型的人的生命周期中，人类心脏跳动大约3.4×10⁹次，这种有限但却存在的修复能力是至关重要的。目前没有人工心脏瓣膜可以自我修复，但是使用干细胞技术生长的替代组织最终可能提供一部分这种能力。
• 快速动态响应–STD

• 血栓形成/血液相容性
  • 机制:
    • 向前和逆流剪切
    • 静态泄漏剪切
    • 异物的存在(即内在凝结级联)
    • 细胞浸渍
• 瓣膜-组织相互作用
• 穿戴
• 封锁
• 卡住了
• 动态响应
• 故障安全
• 瓣膜口与解剖口的比率
• 跨瓣膜压力梯度
• 泄漏最小
• 心脏瓣膜假体的可拆卸和可更换模型

File:The replaceable model of implantable heart valve bioprosthese de Menezes Lyra R 1992.tif 机械或生物(生物假体或“组织瓣膜”)，植入式心脏瓣膜假体的可替换模型由两三个机械部件组成。齿轮连接机构通常使用线圈效应或卡口连接系统。

植入式心脏瓣膜假体的可替换模型通常在瓣膜或支架周围提供缝合或缝合环，由外科医生缝合到瓣膜边缘。

这种类型假体的最大挑战是其未来移除的困难。这是由于瓣膜和缝合环周围形成角膜翳纤维变性。分离零件非常费力，保持缝合环完好无损，缝合环将用于连接新瓣膜。

为了容易地移除旧的可更换生物假体，可以将它的“支架”分段以拆卸其框架，从而便于从缝合环上移除。

心脏瓣膜假体的可拆卸和可更换模型发展的时间线；

• 1984年马丁J. R (Martin, J. R)^[9]
• 1984年马丁J. R (Martin, J. R)^[10]
• 1984年马丁J. R (Martin, J. R)^[11]
• 1987年费尔南德斯·J (Fernandez J)^[12]
• 1988年库伯DK (Cooper DK)^[13]
• 1992年莱拉, R M (Lyra, R M)^[14]
• 1992年莱拉, R M (Lyra, R M)^[14]
• 1992年詹森 J (Jansen J)^[14]

20世纪50年代，查尔斯·胡夫纳格尔博士(Dr. Charles A. Hufnagel)开发了一种人造心瓣膜。他的机械瓣膜由两部分组成，一个球被一个球笼包围，这是球笼瓣膜的第一种变体。最初，球笼和球是用有机玻璃建造的。由于移动球和球笼之间的接触产生噪音，球后来被改为使用涂有硅树脂的材料。

第一次将机械心脏瓣膜植入人体是由胡夫纳格尔博士在1952年9月1日用他开发的瓣膜完成。这一事件加速了其他人造心脏瓣膜的发展。^[15]

• 机械心脏瓣膜的三维展示

• 机械心脏瓣膜的三维展示 (圣弗朗西斯模型)