高分子聚合物心臟瓣膜材料與技術(shù)

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2023-07-1120:21人工心臟瓣膜主要為生物瓣和機(jī)械瓣，臨床應(yīng)用比例分別為45%和55%。但兩種瓣膜都面臨瓣膜功能障礙、鈣化、高免疫原性和血栓風(fēng)險等問題，高分子材料的進(jìn)展為克服機(jī)械瓣和生物瓣的主要缺陷開辟了新視野，有望提供一種既具有機(jī)械瓣膜的耐用性和持久性，又無需長期抗凝治療的人工瓣膜。

心臟瓣膜的發(fā)展歷程

在治療上，針對嚴(yán)重瓣膜性心臟病患者，更換人工心臟瓣膜是最有效的治療手段。從最早的機(jī)械瓣，到生物瓣再到最新的介入瓣，心臟瓣膜經(jīng)歷了三代技術(shù)革新。機(jī)械瓣的優(yōu)勢是使用時間長，設(shè)計使用壽命超過50年，但熱解碳材料的血液容性差，易引發(fā)血栓栓塞等并發(fā)癥，且患者術(shù)后必須終生服用抗凝藥物，極大影響患者的生活質(zhì)量。生物瓣的優(yōu)勢則是以生物組織制作，具有較好的血液相容性，只需在術(shù)后3-6個月服用抗凝藥。不過，生物瓣的使用壽命僅有10-15年，難以滿足目前越來越年輕的瓣膜病患者的需求，甚至部分患者在瓣膜置換不久后就出現(xiàn)瓣膜組織鈣化，并引起瓣膜衰敗。

高分子聚合物心臟瓣膜技術(shù)

隨著研究不斷深入，研發(fā)了高分子材料瓣膜。基于高分子材料的瓣膜集機(jī)械瓣和生物瓣二者的優(yōu)勢于一身，既具備優(yōu)異的耐疲勞特性，又有極好的血液相容性。動物心包組織在TAVR領(lǐng)域應(yīng)用多年，已經(jīng)證明其有較好的耐久性及抗栓性能，但其使用壽命仍有一定局限性（一般10-15年），隨著TAVR患者低齡化，對瓣膜使用壽命也提出了新要求。高分子材料在體外模擬實(shí)驗中，顯示出比傳統(tǒng)牛心包瓣膜更久的使用壽命（達(dá)25年），同時具有無鈣化、低凝血、高生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，但其實(shí)際植入后的血流動力學(xué)表現(xiàn)的長期證據(jù)仍有待驗證。此外，動物心包組織的生產(chǎn)成本高，且需要手工縫合（愛德華、美敦力均為手工縫合）。隨著高分子材料的應(yīng)用，未來其更容易加工剪裁，甚至從生產(chǎn)工藝上實(shí)現(xiàn)全自動化生產(chǎn)，走出手工縫合時代，極大降低生產(chǎn)成本。高分子瓣膜可以克服生物瓣和機(jī)械瓣的缺點(diǎn)，既不需要終身抗凝治療，植入者至少在7-9年內(nèi)也不需要重復(fù)進(jìn)行心臟瓣膜置換。這兩點(diǎn)對于年輕人和老年患者來說尤其重要，在顯著提高生活質(zhì)量的同時，確保手術(shù)的卓越臨床結(jié)果。

在過去十年中開發(fā)的用于外科心臟瓣膜置換術(shù)的聚合物瓣膜和用于經(jīng)導(dǎo)管瓣膜置換術(shù)的聚合物瓣膜

聚合物瓣膜的材料

理想的人工瓣膜材料應(yīng)具備良好的機(jī)械性能、生物穩(wěn)定性、生物相容性、抗疲勞、抗凝血、抗降解、抗鈣化等特點(diǎn)。然而事實(shí)上，在心臟瓣膜運(yùn)行的要求苛刻的動態(tài)條件下，大多數(shù)材料都無法一直保持其理想的機(jī)械性能。雖然部分聚合物彈性體在靜態(tài)條件下的機(jī)械性能和拉伸性普遍優(yōu)于水凝膠和天然心臟瓣膜，然而高韌性、斷裂應(yīng)變和強(qiáng)度的結(jié)合表明了聚合物材料的潛在適用性，在體內(nèi)環(huán)境下的表現(xiàn)如何更值得研究與關(guān)注。常見的高分子材料有聚四氟乙烯類高分子瓣膜、聚對苯二甲酸乙二醋瓣膜、聚氨酯類高分子瓣膜等。考慮到單一材料的性能劣勢，人們又研制出經(jīng)過材料改性的復(fù)合高分子瓣膜：比如各向異性PEGDA/PET-PA6復(fù)合材料瓣葉、木質(zhì)纖維素纖維/聚氨酯復(fù)合材料瓣葉。

制約聚合物瓣膜發(fā)展的因素

制約聚合物瓣膜發(fā)展的因素大致如下：1）和機(jī)械瓣相比，聚合物瓣膜的耐久性與使用壽命仍存在一定的差距，這也制約了更加年輕患者的選擇。2）抗疲勞測試多為體外模擬，體內(nèi)環(huán)境中是否能滿足長期的穩(wěn)定性和相容性仍待觀察，缺乏長時間、大規(guī)模的臨床驗證。3）傳統(tǒng)瓣膜的使用已深入人心，“人造”聚合物的屬性減弱了醫(yī)生與患者對使用該材料的信心，市場教育與接受度仍有待提高。

總結(jié)

高分子多聚合物瓣膜的研發(fā)難度很高。經(jīng)過全球科學(xué)家、臨床醫(yī)生和材料學(xué)家數(shù)十年探究和反復(fù)驗證，直到近幾年才取得突破并制作出達(dá)到臨床要求的高分子多聚合物瓣膜。目前，世界上掌握這種核心技術(shù)的企業(yè)依然不多。未來三到五年，具備高分子瓣膜制備能力的TAVR公司有望成為行業(yè)翹楚。在過去的十年中，眾多研究報告了在開發(fā)理想的聚合物心臟瓣膜方面的成功和失敗的經(jīng)驗。然而，它們都集中于描述PHVs的設(shè)計，對PHV的要求和聚合物的特性研究不足，限制了理想的心臟瓣膜假體的發(fā)展。對生物材料進(jìn)行臨床前評估的方法不多，對血液與生物材料的相互作用理解不深，也在很長一段時間內(nèi)阻礙了這一領(lǐng)域的進(jìn)展?，F(xiàn)代聚合物制造和改性方法的成功，以及納米技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了具有獨(dú)特性能的生物材料的出現(xiàn)。嵌段共聚物和聚合物納米復(fù)合材料在今天非常重要。

參考資料

1.高分子瓣膜研究報告（2023年6月）

2.創(chuàng)新賽道！國產(chǎn)高分子心臟瓣膜加速落地.智慧醫(yī)械,2023-05-22.

3.華醫(yī)前沿|聚合物瓣膜—心臟瓣膜的新型替代品.醫(yī)耘科技,2022-09-09.

4.RezvovaMA,KlyshnikovKY,GritskevichAA,OvcharenkoEA.PolymericHeartValvesWillDisplaceMechanicalandTissueHeartValves:ANewEra