人工心臟瓣膜

人工心臟瓣膜是一種治療心臟瓣膜疾病或缺損的心臟植介入醫療器械[1]。1960年人工心臟首次套用於臨床[2]，之後經歷了機械瓣、生物組織瓣、介入瓣等階段，目前已成為心血管治療領域一種非常重要的醫療器械。

基本介紹

• 中文名：人工心臟瓣膜
• 套用臨床時間：1960
• 套用領域：心血管治療領域
• 類屬：醫療器械

人工心臟瓣膜的發展歷史[1,3]

1.1 機械瓣

機械瓣自誕生之日起先後經歷了球籠瓣和籠碟瓣、斜碟瓣、雙葉瓣三大類。

球籠瓣和籠碟瓣：

具有代表性的球籠瓣有Starr-Edwards 瓣、Smeloff-Cutter瓣和 Magovern 瓣等。這種機械瓣採用一個較小的球籠限制球體赤道線在縫合環的位置。球體的外緣有一個很小的空隙，方便球體通過瓣膜孔。這個微小的空隙還可以造成一個微小的反流，這種微小的反流可能會起到抑制血栓形成的作用。球籠瓣體積較大，在一定程度上限值了其使用。於是更為小巧的籠碟瓣應運而生。具有代表性的籠碟瓣有Kay-Shiley 瓣和 Beall瓣。主要用於二尖瓣的瓣膜置換手術。不過由於籠碟瓣血流動力學特徵比較差，已經很少使用了。

斜碟瓣：

Bjork-Shiley 和 Lillehei-Kaster兩種斜碟瓣的出現成為機械瓣發展歷史上的重要事件。兩種心瓣均採用了“活”的浮動式碟片，在瓣膜打開的時候，碟片在支架的限制下傾斜到預先設定的角度。兩種機械瓣均實現了在關閉狀態時封堵碟片與血流入口圓周良好配合，幾乎沒有重疊。因此也就降低了對紅細胞的機械損傷。使用中少量的血液回流可以對殘留血液和血小板產生“沖刷”作用，在理論上可以降低血栓的發生率。雖然後來出現的Medtronic Hall瓣進一步改進了其性能，血流動力學特性明顯優於球籠瓣和籠碟瓣。

雙葉瓣：

雙葉瓣為最新的機械瓣設計，主要基於St. Jude Medical, Inc公司於1978年開發的雙葉全PYC瓣。雙葉瓣有2個葉片，瓣葉打開合理，開口面積大，為中心血流型，是目前套用最廣泛的機械瓣。由於不同公司的設計不同，雙葉瓣在材料選擇和結構設計上稍微有所差別，有的是金屬瓣環配合熱解碳瓣葉、有的是瓣環瓣葉全為熱解碳塗層、有的是瓣環瓣葉為全熱解碳、有的是瓣葉為含鎢熱解碳。具有代表性的雙葉瓣有St. Jude瓣、CαrboMedics瓣、Sorin Bicarbon瓣、ATS Open Pivot瓣、On-X瓣等。

1.2生物組織瓣

生物組織瓣分為同種生物瓣和異種生物瓣兩種。生物組織瓣通常具有良好的生物相容性和血流動力學特性，在臨床中套用廣泛。

第一例同種移植手術由Ross在1962年完成，臨床效果良好。通體生物瓣移植可以採用患者自身其他部位的瓣膜（如將肺動脈瓣到主動脈），也可以採用自身其他組織來代替（如將自體取下的闊筋膜）。

異種移植心瓣多以牛心包或豬心包組織取出，經化學處理後可防止異體排異反應，增加組織強度。隨著處理技術、固定技術及抗鈣化處理技術的不斷改進，異種移植瓣膜不斷湧現[5,6]。具有代表性的有：Hancock porcine xenograft生物瓣和Carpentier-Edwards生物瓣。

1.3 介入瓣

介入瓣又叫支架瓣膜，是隨著介入心臟病學的迅速發展而產生的微創介入心瓣。相對於外科手術，介入治療對人體的創傷微小、術後恢復快、不留疤痕、不損傷勞動力，解除了很多患者的疾苦。20世紀90年代，人們嘗試著將導管介入術套用在瓣膜置換上，尤其在2000年，Bonhoeffer等率先報導了帶瓣膜支架成功進行肺動脈瓣膜置換術的臨床套用；繼後於2002年，Cribier等報導了首例人體經皮主動脈瓣膜置換術病例。經導管瓣膜病介入治療方法的出現開創了經導管瓣膜置換的新時代，並取得滿意臨床療效[7,8]。

2. 當前使用的人工心臟瓣膜[3]

目前，每年有超過180000個人工心瓣被植入到世界各地的患者體內。目前臨床使用的支架主要分成5個基本大類：

• 球籠瓣
  
• 斜碟瓣
  
• 雙葉瓣
  
• 帶支架生物瓣
  
• 無支架生物瓣
  

心瓣製造商們不斷設計新的機械瓣和組織瓣。但是“理想”的心瓣還未出現，將來也不可能出現。一般認為，“理想”的心瓣應該具有如下特徵：

• 無毒性作用，植入時完全無菌
  
• 便於手術方法植入到心臟的正常位置
  
• 與心臟的結構相適應，而不是反過來由心臟的結構來適應瓣膜（例如：人工心瓣的尺寸和形狀不能幹擾心臟的正常功能）
  
• 血流阻力最小，避免血液流過後產生較明顯的壓力降
  
• 在保證心臟瓣膜關閉、防止瓣膜關閉不全的前提下，反流作用最小
  
• 具備抗機械性和結構性損壞的能力
  
• 長時間（≥25年）保持功能正常（例如：它不能隨著時間的推移而變質）
  
• 對血液成份和心血管系統內瓣膜周圍的上皮組織造成最小的傷害
  
• 在不使用抗凝藥物的前提下，不易發生血栓栓塞綜合徵
  
• 工作時安靜、噪聲小，不會對患者造成干擾
  
• 放射線下可見性
  
• 價格合理
  

考慮到特定的瓣膜組織特性，心臟瓣膜設計需考慮如下三個方面的工程問題：

• 流體動力學特性
  
• 耐久性（結構力學和材料學）
  
• 人體對植入物的生物學反應
  

3.當前瓣膜設計的發展趨勢[3]

最初，人工心瓣血流動力學特性是設計者首要關注的方面。後來豬心包瓣在臨床上的出現解決了這一問題，它的血流動力學特性等於或優於某些機械瓣。目前臨床已經積累了心瓣長期耐久性的數據，而後發現生物瓣的長期臨床耐久性成為其臨床套用的最大障礙。對於來源於豬和牛的生物心瓣來說，可以通過創新支撐支架的設計來減少應力集中，還要改進固定和安裝方式，引入更加柔韌的組織材料。

如果前面提到的設計中的挑戰都能夠解決，那么生物瓣將可以同時具備良好的耐久性和抗血栓能力（也正因如此，患者不再需要接受抗血栓治療），這勢必帶來生物瓣臨床使用的逆襲。

介入心瓣因其微創植入方式降低了手術風險而被醫生和患者普遍接受。現在介入心瓣技術已經不止用於危重病人的治療，還可以作為外科手術治療的替代方案用於普通病人的治療。為了更好地實現這一目標，人們已經開始關注介入瓣自身的一些缺點和不足，例如瓣膜側漏和植入過程中的影像引導等。

4.總結[3]

如果要比較不同人工心瓣的“綜合”特徵和表現是非常困難的，甚至是不可能的事情。不同的研究對人工心瓣的評價標準也各有不同。如果要研究人工心瓣的長期特性，還需要對大樣本量的患者進行長期的觀察。在當前階段，我們需要在心瓣材料、設計、治療方法等多個方面進行改進和創新。心瓣植入患者以及潛在的心瓣疾病發病人群的年齡對於瓣膜選擇和使用壽命的估計是非常重要的一個數據。適合於主動脈瓣置換的人工心瓣也許並不適合二尖瓣的置換。因此，不可能確定一個標準來判斷哪種設計是“最好”的人工心瓣。目前所用的人工心瓣，無論是機械瓣還是生物瓣，都會產生相對較大的湍流應力（可以引起紅細胞和血小板的致命性或半致命性損傷）以及比正常心瓣更大的壓力梯度和逆流體積。

因此，我們可以總結出三個可能的人工心瓣發展方向（同時也是人工心瓣設計面臨的三個挑戰）：

• 提高新型人工材料的抗血栓能力。
  
• 提高新型生物組織瓣的耐久性。可以通過使用無支架組織瓣、新的抗鈣化處理、更好的固定技術等。
  
• 提高心瓣的血流動力特性。特別是減少或消除瓣膜和血管表面的低剪下力區域，以及瓣膜出口或側漏時射流引起的周邊高湍流剪下力區。
  

雖然現有的人工心瓣還有很大的改進和提高空間。但對廣大患者來說，在不久的將來更加高級和先進的人工心臟瓣膜還是非常值得期待。

參考文獻:

1.崔凱，張正才， 韓巧慧.人工心臟瓣膜的現狀與發展. 新材料產業. 2009， 5：39-42。

2.Turpie AG, Gent M, Laupacis A, Latour Y, Gunstensen J, Basile F, Klimek M, Hirsh J. A comparison of aspirin with placebo in patients treated with warfarin after heart-valve replacement. N Engl J Med. 1993.19;329(8):524-9.

3. Krishnan B. Chandran, Stanley E. Rittgers, Ajit P. Yoganathan. Biofluid mechanics- the human circulation. (2rd edition) CRC Press 2012

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8. Webb, J. G., Altwegg, L., Boone, R. H., Cheung, A., Ye, J. , Lichtenstein, S., Lee, M., Masson, J. B., Thompson, C., Moss, R., Carere, R.，Munt, B., Niet1ispach, F., and Humphries, K. (2009) Transcatheter aortic valve implantation: Impact on clinical and valve-related outcomes. Circulation 119(23): 3009-3016.