人工机械瓣膜

可植入心脏内代替心脏瓣膜

人工机械瓣膜是可植入心脏内代替心脏瓣膜（主动脉瓣、三尖瓣、二尖瓣），能使血液单向流动，具有天然心脏瓣膜功能的由人工材料制成的人工器官。

简介

中国风湿性心脏病患病率达0.183%，是中国常见的心血管疾病之一。换瓣手术仍然是治疗风湿性心脏病的重要手段之一。

在中国，换瓣手术中应用最多的是人工机械瓣膜，占90%以上。自1960年以来，人工机械瓣膜历经笼球瓣、笼碟瓣、侧倾碟瓣及双叶瓣4代的发展，先后有近80余种人工机械瓣膜问世及临床应用，换瓣手术成为治疗患有严重心脏瓣膜病变人的有效治疗手段。

产品特点

1960年笼球瓣开始应用于临床，开创了第一代人造机械瓣膜的时代，笼球瓣的基本结构是，由不锈钢铸成的四根瓣柱呈笼样的瓣架，由硅橡胶、金属或热解炭制成的球状阀体，在笼架内上下活动，形成瓣膜的功能。笼球瓣的主要问题是：

1．跨瓣压差高；

2．过瓣血流为侧流，形成涡流区，血栓塞率高；

3．溶血；

4．瓣架高；造成左室流出道梗阻和室间隔刺激。

虽然对笼球瓣进行了无数次改进，但因其难以克服的缺陷，很快被新的一代机械瓣膜所替代。

针对笼球瓣支架过高的缺点，为降低瓣架，改善血流动力学，减轻瓣膜重量，1964年出现了笼碟瓣，其成为第二代人造机械瓣膜。笼碟瓣的基本原理为活塞式中心碟片，阀体多数采用透镜状碟片，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。笼碟瓣的问题是：

1．跨瓣亚差很高；

2．碟片活动范围小，易导致机械失灵；

3．结构损坏发生率过高。

虽然经过多次改进，随着侧倾碟瓣的问世，笼碟瓣已全部被淘汰，但笼碟瓣开创了低瓣架设计的先例，为侧倾碟瓣和双叶瓣的发展奠定了基础。

1969年第三代人造机械瓣膜侧倾碟瓣问世。它从笼碟瓣的过瓣血流侧流型改为半中心血流，使血流动力学得到明显改善。术后瓣膜有关的合并症降到很低的水平，侧倾碟瓣在临床中的应用仍占很大的比例。常用的有Medtronic-Hall、Sorin、Bjork-S hiley等。

1980年以St.Jude Medical为代表的双叶瓣问世，机械瓣的研究进入第四代。双叶瓣的启闭原理接近自然瓣，为中心血流，明显改善了血流动力学性能及流场，使与瓣膜有关的并发症降低到一个新的水平。常见的双叶瓣有 St.Jude Medical、ATS、Sorin Bicarbon、CarboMedcs等。

在70年代以前换瓣手术的手术死亡率较高，二尖瓣与主动脉瓣置换术死亡率约为20%，晚期死亡率为25%。80年代以后，换瓣手术发展到成熟阶段，其手术死亡率已降为4%以下，以往复杂的多瓣膜置换手术、巨大心室换瓣术、二次手术、换瓣加搭桥已成为常规手术，并取得良好的效果。北京安贞医院已经为全国各地近万名病人施行了换瓣手术，成功率在国内及国际同领域达到领先水平。产生了陈宝田，孟旭等在心脏瓣膜外科领域有很高造诣的专家。

人工机械瓣膜尚未达到完美境界，瓣膜有关的合并症也未彻底解决，因此真正理想的人工机械瓣膜有待人们的继续研究开发。

历史进展

人工机械心脏瓣膜的发展，先后经历了4代。1951年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，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，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，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，仍是人工机械心脏瓣膜研发的重点。

设计制造的关键环节

人工机械瓣膜设计的任务，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：

（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。

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，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，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。

材料的优化选择

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，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，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。

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。

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、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。

服用抗凝药的注意事项

行人工机械瓣膜置换的患者需终身服用抗凝药物，抗凝不足时有发生机械瓣膜血栓形成造成动脉栓塞的危险，抗凝过量又有出血的危险，所以抗凝是关系到生命安全的大事，一定要掌握好。中国用于抗凝治疗的口服药物主要以香豆素类药（华法林为主）。

（1）在服药期间必须仔细观察有无出血征象，如有黑便、血尿、较大范围不明原因的淤肿、呕吐出咖啡样物、出鼻血或牙龈出血、女性患者月经过多等现象，应及时就诊，复查INR，在医生指导下减少抗凝药用量。在日常生活中注意避免外伤和其他引起出血的因素，如剃须引起皮肤切口出血等。

（2）有许多药物会干扰华法林的抗凝作用。有的药物与华法林有拮抗作用，使凝血酶原的时间缩短，如VitK、巴比妥类、雌激素、口服避孕药等，应指导患者在日常生活中加以重视，保证安全。有的药物与华法林有协同作用，使凝血酶原时间延长，如解热镇痛药、氯霉素、广谱抗生素、长效磺胺、水杨酸类等。故抗凝期间应用其他药物必须在医生的指导下服用。

（3）要求每天固定在同一时间服药，剂量准确。指导患者闹钟定时，传呼机发信息，家属发信督促等，以免忘记，若某日忘记服用，次日服用时不可追加剂量。

（4）服用华法林期间，凝血酶原时间应保持在正常对照值的1．5～2．0倍范围内。抗凝监测方案要求出院后头2个月2周1次，2个月～6个月2周～3周1次，6个月后2个月～3个月1次。

（5）在下列情况下要和医生说明正在服用抗凝药，并按照医嘱先使用抗生素来预防感染。所有牙齿的操作：常规洗牙、拔牙、补牙、牙龈和牙床的操作；任何大手术；下列一些小手术：脓肿引流、扁桃体切除、阑尾切除、前列腺手术、生小孩；能引起躯体组织创伤的操作：膀胱检查、直肠和结肠检查等。

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