一種高分子心臟瓣膜生物科技材料的研制及應(yīng)用效果

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.029

摘 要：針對人工心臟瓣膜材料在移植后存在的問題，提出一種新型人工心臟瓣膜材料的制備，并對其性能進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，聚二丙烯酸酯（PEGDA）濃度為15%時(shí)，制備的人工心臟瓣膜的性能最佳。此時(shí)人工心臟瓣膜厚度約為5.5 mm，干態(tài)和濕態(tài)彈性模量分別為19 MPa和21 MPa，經(jīng)向和緯向的斷裂伸長率均超過30%，在開閉運(yùn)動(dòng)中實(shí)際形變量低于10%，經(jīng)向和緯向的各向異性比率超過2；縫線牽拉強(qiáng)度約為14 MPa；在磷酸鹽溶液（PBS）和蛋白酶（XIV）溶液中降解30 d后，其質(zhì)量保持率約為92%；鈣化后表面的鈣元素和磷元素含量低至3%以下，表現(xiàn)出良好的體內(nèi)應(yīng)用性能，可以在臨床發(fā)揮作用。

關(guān)鍵詞：人工瓣膜材料；高分子復(fù)合材料；機(jī)織蠶絲；聚二丙烯酸酯凝膠

中圖分類號：TQ314" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "文章編號：1001-5922（2024）02-0108-04

Development and application effect of a polymer heart valve biotechnology material

ZHOU Yan，PANG Zhongyi

（Deyu Medical Ma’anshan General Hospital，Ma’anshan "243000，Anhui China）

Abstract：In order to solve the problems of artificial heart valve materials after transplantation， a new type of artificial heart valve materials was prepared， and its properties were studied.The results showed that the performance of the prepared artificial heart valve was the best when the concentration of polyacrylate （PEGDA） was 15%.At this time， the thickness of the artificial heart valve was about 5.5 mm， and the dry and wet elastic moduli were 19 MPa and 21 MPa， respectively.The elongation at break in both longitudinal and latitudinal directions exceeds 30%.The actual deformation is less than 10% during the opening and closing movement，and the ratio of anisotropy in both longitudinal and latitudinal directions exceeded 2.The tensile strength of the suture was about 14 MPa.After degradation in phosphate solution （PBS） and protease （XIV） solution for 30 days， the mass retention rate was about 92%.The content of calcium and phosphorus elements on the surface after calcification was as low as 3% or less.The decrease rate of coagulation time absorbance curve was relatively slow， demonstrating good in vivo application performance and could play a role in clinical practice.

Key words：artificial valve materials;polymer composite materials;machine woven silk;polyacrylate gel

心臟瓣膜是人體心臟器官的重要組成部分，作為血液循環(huán)的總閥門，對血液進(jìn)出心臟進(jìn)行控制。瓣膜置換是治療心臟瓣膜疾病的主要方式，但受材料的影響，目前所用的瓣膜材料存在移植后感染、免疫排斥反應(yīng)、細(xì)胞毒性、血液毒性的問題，這對瓣膜的治療產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。開發(fā)一種性能更完全的人工瓣膜材料，對心臟瓣膜疾病的治療有重要意義。對此，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如對比了人工機(jī)械瓣膜與生物瓣膜在二尖瓣置換術(shù)（MVR）中的療效^[1]。制備了PET/SF機(jī)織人工心臟瓣膜織物，并對其性能進(jìn)行研究^[2]。通過覆蓋鈣結(jié)合位點(diǎn)的牛心包處理技術(shù)制備出干性生物瓣膜，并對其耐久性進(jìn)行評價(jià)^[3]。以上學(xué)者的研究為心臟瓣膜替代材料的性能進(jìn)行了優(yōu)化，但還達(dá)不到理想的要求?；诖?，試驗(yàn)以部分研究者的方法為參考^[4]，制備了一種新型心臟瓣膜材料，并對其性能進(jìn)行了研究。

1"試驗(yàn)部分

1.1"材料與設(shè)備

主要材料：聚乙二醇（AR），鏈集化工；二氯甲烷（AR），創(chuàng)世化工；三乙胺（AR），利揚(yáng)化工；丙烯酰胺（AR），力昂新材料；無水碳酸鉀（AR），宜鑫化工；無水硫酸鎂（AR），科華新材料；無水乙醚（AR），成豐化工；甲基苯丙酮（AR），玖豐隆化工；脫膠蠶絲（AR），生物科技。

主要設(shè)備：MX-S型萬能試驗(yàn)機(jī)（臺(tái)碩檢測儀器）；TFD-1A-50型冷凍干燥機(jī)（舜制儀器）；ZNCL-BS180型磁力攪拌機(jī)（越眾儀器設(shè)備）。

1.2"試驗(yàn)方法

1.2.1"聚二丙烯酸酯（PEGDA） 的制備

（1）提前對聚乙二醇（PEG）進(jìn)行冷凍干燥處理;

（2）在裝有80 mL無水二氯甲烷的圓底燒瓶中通入氬氣，使其始終處于氬氣保護(hù)環(huán)境，然后放入26.8 g經(jīng)過冷凍干燥的聚乙二醇，在磁力攪拌機(jī)的作用下混合，攪拌轉(zhuǎn)速為900 r/min;

（3）維持該轉(zhuǎn)速，將2.24 mL催化劑三乙胺滴入，混合5 min后，繼續(xù)滴入2.54 mL丙烯酰胺，保持?jǐn)嚢枥^續(xù)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為12 h;

（4）反應(yīng)結(jié)束后將溶液轉(zhuǎn)移至分液漏斗中，放入1.5 mol/L 的無水碳酸鉀，待氣體完全排出后封口靜置，使其自然分層;

（5）將下層溶液滴加至燒杯中后，放入無水硫酸鎂溶液并充分混合，過濾后得到澄清溶液，在4 ℃冷藏的無水乙醚中進(jìn)行沉淀，得到PEGHA粉末。

1.2.2"SF-PEGDA人工心臟瓣膜的制備

（1）在去離子水中溶入一定質(zhì)量的PEGHA粉末，得到預(yù)成膠溶液;

（2）在乙醇中溶入甲基苯丙酮，得光引發(fā)溶液;

（3）以1%的體積比將光引發(fā)溶液加入不同濃度的預(yù)成膠溶液中，得到濃度不同的混合溶液;

（4）在混合溶液中浸入脫膠蠶絲（SF）織物，取出后在紫外光的作用下使其形成致密水凝膠，得到SF-PEGDA人工心臟瓣膜。

1.3"性能測試

1.3.1"彈性模量

通過MX-S型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行材料彈性模量測試。

彈性模量表達(dá)式為^[5-6]：

E=B/L（1）

式中：E為彈性模量，MPa；B為斷裂強(qiáng)力，MPa；L為伸長率，%。

1.3.2"縫合性能

參照YY0500—2004標(biāo)準(zhǔn)中的方法進(jìn)行測試，對照材料為臨床生物材料牛心包^[7-8]。

1.3.3"降解性能

將材料完全浸入磷酸鹽溶液（PBS）和蛋白酶XIV溶液中，根據(jù)材料的重量損失率表征材料的降解性能^[9-10]。

1.3.4"體外抗鈣化性能

依據(jù)Golomb和Wagner方法對材料體外抗鈣化性能進(jìn)行測試^[11-12]。

2"結(jié)果與討論

2.1"力學(xué)性能測試

以SF為對比，對SF-PEGDA人工心臟瓣膜的力學(xué)性能進(jìn)行分析，結(jié)果見圖1。

由圖1（a）可知，試驗(yàn)制備的人工心臟瓣膜經(jīng)向和緯向的斷裂伸長率均超過30%，在開閉運(yùn)動(dòng)中實(shí)際形變量低于10%，而天然心臟瓣膜彈性伸長率約為20%，這說明試驗(yàn)制備的人工心臟瓣膜在斷裂伸長率方面滿足要求。由圖1（b）可知，試驗(yàn)制備的人工心臟瓣膜經(jīng)向和緯向彈性模量均明顯低于SF纖維，這說明經(jīng)過PEGDA作用后，纖維的剛性得到了明顯的改善。而人工心臟瓣膜在經(jīng)向和緯向的各向異性比率仍超過了2，這說明PEGDA與SF作用后，纖維的各向異性力學(xué)特征并未發(fā)生改變。

2.2"縫合性能測試

以原始牛心包材料為對比，對人工心臟瓣膜材料的縫合性能進(jìn)行表征，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，試驗(yàn)制備的人工心臟瓣膜材料縫線牽拉強(qiáng)度約為14 MPa，明顯高于原始牛心包材料的7.5 MPa。這說明試驗(yàn)制備的人工心臟瓣膜材料較臨床生物組織性能更加穩(wěn)定。表現(xiàn)出良好的縫合性能。

2.3"降解性能分析

降解性能測試結(jié)果見圖3。

由圖3可知，人工心臟瓣膜材料在PBS和蛋白酶XIV溶液中的降解均只發(fā)生在浸泡初期，且降解速度均較為緩慢。經(jīng)過30 d降解后，其質(zhì)量保持率均維持在92%左右，表現(xiàn)出良好的抗降解能力。以上變化說明了試驗(yàn)制備的人工心臟瓣膜移植后具備較好的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的抗降解性能。

2.4"抗鈣化性能

抗鈣化性能測試結(jié)果見圖4。

由圖4可知，SF樣品表面存在較多的鈣元素和磷元素，這說明在SF材料表面生成了較多的鈣化顆粒中的羥基磷灰石，也就是說SF材料鈣化嚴(yán)重。而人工心臟瓣膜材料表面的鈣元素和磷元素含量明顯下降，其含量低至3%以下，這說明PEGDA涂層覆蓋在SF材料表面后，大程度的緩解了其鈣化現(xiàn)象，表現(xiàn)出良好的抗鈣化能力^[13-14]。

2.5"臨床應(yīng)用效果

2.5.1"一般資料

選取2020年10月至2023年10月在德馭醫(yī)療馬鞍山總醫(yī)院心臟中心接受心臟瓣膜置換術(shù)的15例患者作為研究對象，其中男7例，女8例，年齡31～72歲，平均年齡（46.72±3.97）歲；病程0.25～23年，平均病程（10.65±2.53）年；合并高血壓者3例，合并糖尿病者2例，合并高血脂者7例。心臟瓣膜病分類：主動(dòng)脈瓣膜單純性狹窄者1例，二尖瓣狹窄或主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全者1例；

心功能分級：NYHA心功能Ⅱ級者7例，NYHA 心功能Ⅲ級者8例。且所有患者符合心臟瓣膜置換標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.5.2"檢查方法

15例患者均接受手術(shù)病理檢查，并在置換前后進(jìn)行TEE檢查。檢查儀器：飛利浦CX50超聲診斷儀。

置換前TEE檢查步驟：①于患者咽喉部位噴霧 鹽酸丁卡因?qū)嵤┚植柯樽?；②將探頭放置在患者食管內(nèi)（約35 cm），實(shí)行二維、三維心動(dòng)圖檢測、多平面檢測，并準(zhǔn)確計(jì)算出主動(dòng)脈瓣環(huán)的內(nèi)部直徑，并分析患者瓣膜是否存在狹窄、增厚、鈣化 及縮小等情況。③置換后觀察患者HVR情況，包括心臟收縮能力、血容量及瓣膜閉合情況。

TEE檢查結(jié)果均由一名資深醫(yī)生予以記錄，記錄內(nèi)容為患者置換前后心功能及置換后瓣膜情況。

2.5.3"觀察指標(biāo)

觀察患者置換前、置換后心功能與心臟瓣膜指標(biāo)水平情況。包括有效瓣口面積指數(shù)、左心室射血分?jǐn)?shù)、主動(dòng)脈瓣平均跨瓣壓差。

2.5.4"統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

應(yīng)用SPSS 21.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料以“均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差”（x±s）表示，比較采用t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料以百分率（%）表示，比較采用χ² 檢驗(yàn)。“Plt;0.05”為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.5.5"置換前后心功能與心臟瓣膜指標(biāo)水平比較

患者置換后有效瓣口面積指數(shù)、左心室射血分?jǐn)?shù)水平均高于術(shù)前（Plt;0.05），置換后主動(dòng)脈瓣平均跨瓣壓差水平低于置換前（Plt;0.05）。結(jié)果見表1。

3"結(jié)語

（1）人工心臟瓣膜經(jīng)向和緯向的斷裂伸長率均超過30%，在開閉運(yùn)動(dòng)中實(shí)際形變量低于10%，人工心臟瓣膜在經(jīng)向和緯向的各向異性比率超過2%，彈性模量和各向異性程度與天然主動(dòng)脈瓣葉較為接近；

（2）人工心臟瓣膜材料縫線牽拉強(qiáng)度約為14 MPa，縫合性能良好；

（3）在PBS和蛋白酶溶液中降解30 d后，其質(zhì)量保持率均維持在92%左右，表現(xiàn)出良好的抗降解能力；

（4）人工心臟瓣膜材料表面的鈣元素和磷元素含量低至3%以下，表現(xiàn)出良好的抗鈣化能力；

（5）實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，置換本試驗(yàn)的心臟瓣膜各項(xiàng)

指標(biāo)與術(shù)前相比，都存在顯著差異。

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收稿日期：2023-09-02；修回日期：2023-12-05

作者簡介：周"研（1985-），男，本科，主治醫(yī)師，研究方向：心臟醫(yī)學(xué)材料、心胸外科;E-mail：307614417@qq.com。

基金項(xiàng)目：皖南醫(yī)學(xué)院校級科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：WK2023JXYY044）。

引文格式：周"研，龐中一.一種高分子心臟瓣膜生物科技材料的研制及應(yīng)用效果[J].粘接，2024，51（2）：108-111.