Protocol voor Relatieve Hydrodynamische Beoordeling van Tri-folder Polymer Valves
Summary
Is er hernieuwde belangstelling voor het ontwikkelen polymeer kleppen. Hier, de doelstellingen zijn om de haalbaarheid van het wijzigen van een commerciële impuls duplicator aan tri-folder geometrieën tegemoet en een protocol te definiëren polymeer ventiel hydrodynamische gegevens te presenteren in vergelijking met autochtone en kunstklep data onder bijna-identieke omstandigheden verzameld demonstreren.
Abstract
Beperkingen van de momenteel beschikbare kunstkleppen, xenografts en homografts hebben geleid tot een recente heropleving van de ontwikkelingen op het gebied van de tri-folder polymeer ventiel prothesen. Echter, de identificatie van een protocol voor de eerste evaluatie van de polymeer ventiel hydrodynamische functionaliteit staat voorop tijdens de vroege stadia van het ontwerpproces. Traditionele in vitro puls duplicator systemen zijn niet geconfigureerd om flexibel tri-folder materialen geschikt, daarnaast beoordeling van polymeer ventiel functionaliteit moet worden gemaakt in een relatieve context aan inheemse en prothetische hartkleppen onder identieke testomstandigheden zodat variabiliteit in de metingen van verschillende instrumenten kunnen worden vermeden. Daarom voerden wij hydrodynamische beoordeling van i) natuurlijke (n = 4, gemiddelde diameter D = 20 mm), ii) bi-leaflet mechanische (n = 2, D = 23 mm) en iii) polymeer kleppen (n = 5, D = 22 mm) door het gebruik van een in de handel verkrijgbaar systeem voor reproductie puls (ViVitro LabsInc, Victoria, BC) die werd gewijzigd om tri-folder klep geometrieën tegemoet. Tri-folder siliconen kleppen ontwikkeld aan de Universiteit van Florida bestaat uit het polymeer ventiel groep. Een mengsel in de verhouding 35:65 glycerine water werd gebruikt om bloed fysische eigenschappen bootsen. Ogenblikkelijk debiet gemeten bij het grensvlak van de linker ventrikel en aorta eenheden terwijl de druk werd geregistreerd bij de ventriculaire en aorta posities. Bi-folder en inheemse klep gegevens uit de literatuur werd gebruikt om de stroom en druk metingen te valideren. De volgende hydrodynamische metrics werden gemeld: forward flow drukval, aorta root mean square forward debiet, aorta sluiten, lekkage en regurgitant volume, transaortale sluiten, lekkage, en de totale energie verliezen. Representatieve resultaten gaven aan dat hydrodynamische metrieken uit de drie kraangroepen succes zou kunnen worden verkregen door het opnemen van een custom-built assemblage in een commercieel beschikbare puls systeem voor reproductie en subsequently, objectieve vergelijking met inzichten over de functionele aspecten van het polymeer klepontwerp bieden.
Introduction
Hartklepaandoeningen vaak het gevolg van degeneratieve ventiel verkalking 1, reumatische koorts 2, endocarditis 3,4 of aangeboren afwijkingen. Als afsluiter schade ontstaat, waardoor stenose en / of regurgitatie klepverzakking en kan niet operatief worden hersteld, wordt de inheemse klep meestal vervangen door een kunstklep. Momenteel beschikbare opties omvatten mechanische kleppen (kooi-kogelafsluiters, kantelen schijf kleppen, enz.), Homograft en bioprothetische kleppen (varkens en runderen kleppen). Mechanische kleppen zijn vaak aanbevolen voor jongere patiënten op basis van hun duurzaamheid, maar de patiënt is vereist op antistollingsbehandeling te voorkomen trombotische complicaties 5 te blijven. Homograft en biologische kunstkleppen zijn effectieve keuzes te bloedverdunner therapie te voorkomen geweest, maar deze kleppen hebben verhoogd risico op fibrose, verkalking, degeneratie, en immunogeen complicaties die leiden tot ventiel falen 6. Tissue-engineered kleppen worden onderzocht als een opkomende technologie 7-9, maar er blijft nog veel te worden ontdekt. Alternatief duurzaam, biocompatibel, prothetische kleppen nodig om de kwaliteit van leven van de hartklep ziekte patiënten. Nogmaals, kan deze klep ontwerp vervangt de bioprothese gebruikt in transkatheterklep technologie, met transcatheter benaderingen tonen het potentieel voor het transformeren van de behandeling van geselecteerde patiënten met ziekte van de hartklep 10.
Zoals aangegeven door de huidige normen, moet een succesvolle hartklep vervangende de volgende prestatiekenmerken: "1) laat forward flow met aanvaardbaar klein gemiddelde drukverschil druppel; 2) voorkomt retrograde stroom met aanvaardbaar klein oprispingen; 3) weerstaat embolisatie; 4) weerstaat hemolyse; 5) weerstaat stolselvorming; 6) is biocompatibel, 7) is compatibel met de in vivo diagnostische technieken; 8) is leverbaar en implanteerbare in het doelbevolking, 9) vast blijft eenmaal geplaatst, 10) een aanvaardbare geluidsniveau, 11) heeft reproduceerbare functie, 12) zijn functionaliteit behoudt een redelijke levensduur, in overeenstemming met de generieke klasse; 13) handhaaft de functionaliteit en steriliteit voor een redelijke plank life vóór implantatie. '11. Sommige van de tekortkomingen van bestaande klepprothesen kan mogelijk worden opgelost door een polymeer klep. biocompatibel polymeren beschouwd topkandidaten basis van biologische stabiliteit, anti-hydrolyse, anti-oxidatie en voordelige mechanische eigenschappen zoals hoge sterkte en visco-elasticiteit. Met name kunnen elastomere polymeren materiaalvervorming lijken natieve klep dynamiek verschaffen. Elastomeren worden aangepast aan zacht weefsel eigenschappen nabootsen en kunnen de enige kunstmatige materialen beschikbaar die bio-tolerant en dat de gekoppelde kan weerstaan, in vivo, vloeistof-geïnduceerde, buig-en trekspanningen, maar toch, bewegen op een manier die lijkt op gezonde,inheemse klep beweging. Bovendien kunnen elastomeren massa geproduceerd in verschillende maten, opgeslagen met gemak, verwacht kosteneffectief apparaten en kan structureel worden aangevuld met vezelversterking.
Het concept van het gebruik van polymere materialen om een tri-folder afsluiter monteren is niet nieuw en is het onderwerp geweest van een aantal onderzoeks-onderzoeken in de afgelopen 50 jaar 12, die grotendeels te wijten aan beperkte klep duurzaamheid werden verlaten. Echter, met de komst van nieuwe fabricagemethoden 13,14, versterking van polymeermaterialen 15,16 en potentieel naadloze integratie polymeer ventiel produkten met transkatheterklep technologie, is er recentelijk een hernieuwde interesse en activiteit in ontwikkeling polymeer kleppen als een mogelijk geweest alternatief voor beschikbare commerciële kleppen. In dit licht is een protocol voor het inschakelen van het testen van deze kleppen om hydrodynamische functionaliteit beoordelen is de eerste stapin het evaluatieproces; nog commercieel beschikbare puls simulator systemen over het algemeen niet uitgerust om tri-folder klepontwerpen tegemoet te komen en bevatten een ringvormige tussenruimte aan commercieel beschikbare hartkleppen (bijv. kantelen schijf, bi-folder mechanische hartkleppen) plaatst. Ten tweede, polymeer kleppen zijn een opkomende technologie waarvan de hydrodynamica kan alleen worden beoordeeld in een relatieve context. Hoewel natieve hartklep druk en debiet gegevens beschikbaar, is het belangrijk te testen eigen aortische kleppen varkens, die biologisch op humane kleppen voeren met dezelfde pulserende simulator die wordt gebruikt om het polymeer kleppen dient te evalueren om rekening te houden waarderingsverschillen die kan zijn systeem afhankelijk. Dus het doel van deze studie was om aan te tonen hoe een commercieel verkrijgbaar puls simulator kan worden uitgerust met een samenstel tri-bijsluiter klep constructen vangen en polymeer klep hydrodynamische metrics in relatieve cont systematische evaluatieext in vergelijking met mechanische en inheemse varkens hartklep tegenhangers. In ons geval, nieuwe tri-folder siliconepolymeer kleppen eerder ontwikkeld aan de Universiteit van Florida 13 omvatte het polymeer ventiel groep.
Protocol
Representative Results
Discussion
In deze studie hebben we aangetoond dat de bruikbaarheid van het wijzigen van een in de handel verkrijgbaar pulserende duplicator unit aan tri-folder klep geometrieën tegemoet zodat hydrodynamische testen van polymeer en inheemse varkens afsluiters kunnen worden uitgevoerd. Specifiek in ons geval, het systeem gemodificeerd was een ViVitro linker hart en systemische simulator systeem (figuur 1a) bediend via het ViViTest data-acquisitiesysteem (ViVitro Systems, Inc, Victoria, BC, Canada). Echter, het sys…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Een subsidie zaad van de Universiteit van Florida – College of Medicine is dankbaar erkend. Graduate studies (Manuel Salinas) werden ondersteund door een minderheid kansen in biomedische onderzoeksprogramma's – research initiatief voor wetenschappelijk enhancement (MBRS-RISE) fellowship: NIH / NIGMS R25 GM061347. Financiële steun van de Wallace H. Coulter Foundation door Florida International University, wordt Biomedical Engineering Department ook dankbaar erkend. Tot slot, de auteurs danken de volgende leerlingen voor hun hulp tijdens de verschillende fasen van de experimentele proces: Kamau Pier, Maleachi Suttle, Kendall Armstrong en Abraham Alfonso.
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| Pump | ViVitro Labs | http://vivitrolabs.com/products/superpump/ | |
| Flow Meter and Probe | Carolina Medical | Model 501D | http://www.carolinamedicalelectronics.com/documents/FM501.pdf |
| Pressure Transducer | ViVitro Labs | HCM018 | |
| ViVitro Pressure Measuring Assembly | ViVitro Labs | 6186 | |
| Valve holder | WB Engineering | Designed by Florida International University. Manufactured by WB Engineering | |
| Pulse Duplicator | ViVitro Labs | PD2010 | http://vivitrolabs.com/wp-content/uploads/Pulse-Duplicator-Accessories1.pdf |
| Pulse Duplicator Data Acquisition and Control System, including ViViTest Software | ViVitro Labs | PDA2010 | http://vivitrolabs.com/products/software-daq |
| Porcine Hearts and Native Aortic Valves | Mary's Ranch Inc | ||
| Bi-leaflet Mechanical Valves | Saint Jude Medical | http://www.sjm.com/ | |
| High Vacuum Grease | Dow Corning Corporation | http://www1.dowcorning.com/DataFiles/090007b281afed0e.pdf | |
| Glycerin | McMaster-Carr | 3190K293 | 99% Natural 5 gal |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Fisher Scientific | MT21031CV | 100 ml/heart |
| Antimycotic/Antibiotic Solution | Fisher Scientific | SV3007901 | 1 ml in 100 ml of PBS/heart; 20 ml for ViVitro System |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S3014-500G | 9 g/L of deionized water |
| Deionized Water | EMD Millipore Chemicals | Millipore Deionized Purification System. 1.3 L for ViVitro System, 200 ml for heart valve dissection process |
Riferimenti
- Rajamannan, N. M., et al. Calcific aortic valve disease: not simply a degenerative process: A review and agenda for research from the National Heart and Lung and Blood Institute Aortic Stenosis Working Group. Executive summary: Calcific aortic valve disease-2011 update. Circulation. 124, 1783-1791 (2011).
- Marijon, E., Mirabel, M., Celermajer, D. S., Jouven, X. Rheumatic heart disease. Lancet. 379, 953-964 (2012).
- Karaci, A. R., et al. Surgical treatment of infective valve endocarditis in children with congenital heart disease. J. Card. Surg. 27, 93-98 (2012).
- Knirsch, W., Nadal, D. Infective endocarditis in congenital heart disease. Eur. J. Pediatr. 170, 1111-1127 (2011).
- Korossis, S. A., Fisher, J., Ingham, E. Cardiac valve replacement: a bioengineering approach. Biomed. Mater. Eng. 10, 83-124 (2000).
- Ghanbari, H., et al. Polymeric heart valves: new materials, emerging hopes. Trends Biotechnol. 27, 359-367 (2009).
- Mol, A., Smits, A. I., Bouten, C. V., Baaijens, F. P. Tissue engineering of heart valves: advances and current challenges. Expert Rev. Med. Devices. 6, 259-275 (2009).
- Ramaswamy, S., et al. The role of organ level conditioning on the promotion of engineered heart valve tissue development in using mesenchymal stem cells. Biomaterials. 31, 1114-1125 (2010).
- Sacks, M. S., Schoen, F. J., Mayer, J. E. Bioengineering challenges for heart valve tissue engineering. Annu. Rev. Biomed. Eng. 11, 289-313 (2009).
- Zamorano, J. L., et al. EAE/ASE recommendations for the use of echocardiography in new transcatheter interventions for valvular heart disease. J. Am. Soc. Echocardiogr. 24, 937-965 (2011).
- ANSI/AAMI/ISO. Cardiovascular Implants – Cardiac Valve Prostheses. Assoc. Adv. Med. Instrum. 71, (2005).
- Gallocher, S. L. . Durability Assessment of Polymer Trileaflet Heart Valves PhD thesis. , 313 (2007).
- Carroll, R., Boggs, T., Yamaguchi, H., Al-Mously, F., DeGroff, C., Tran-Son-Tay, R. Blood Cell Adhesion on Polymeric Heart Valves. , (2012).
- Pierre, K. K., Salinas, M., Carroll, R., Landaburo, K., Yamaguchi, H., DeGroff, C., Al-Mousily, F., Bleiweis, M., Ramaswamy, S. Hydrodynamic Evaluation of a Novel Tri-Leaflet Silicone Heart Valve Prosthesis. , (2012).
- Cacciola, G., Peters, G. W., Schreurs, P. J. A three-dimensional mechanical analysis of a stentless fibre-reinforced aortic valve prosthesis. J. Biomech. 33, 521-530 (2000).
- De Hart, J., Cacciola, G., Schreurs, P. J., Peters, G. W. A three-dimensional analysis of a fibre-reinforced aortic valve prosthesis. J. Biomech. 31, 629-638 (1998).
- Lim, W. L., Chew, Y. T., Chew, T. C., Low, H. T. Pulsatile flow studies of a porcine bioprosthetic aortic valve in vitro: PIV measurements and shear-induced blood damage. J. Biomech. 34, 1417-1427 (2001).
- Gutierrez, C., Blanchard, D. G. Diastolic heart failure: challenges of diagnosis and treatment. Am. Fam. Physician. 69, 2609-2616 (2004).
- Shi, Y., Yeo, T. J., Zhao, Y., Hwang, N. H. Particle image velocimetry study of pulsatile flow in bi-leaflet mechanical heart valves with image compensation method. J. Biol. Phys. 32, 531-551 (2006).
- Chandran, K. B., Yoganathan, A. P., Rittgers, S. E. . Biofluid Mechanics: The Human Circulation. , 277-314 (2007).
- Akins, C. W., Travis, B., Yoganathan, A. P. Energy loss for evaluating heart valve performance. J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 136, 820-833 (2008).
- Fung, Y. C. . Biomechanics: Circulation. , (1997).
- Keener, J., Sneyd, J. . Mathematical Physiology, II: Systems Physiology. , (1998).
- Quick, C. M., Berger, D. S., Noordergraaf, A. Apparent arterial compliance. Am. J. Physiol. 274, H1393-H1403 (1998).
- Wang, Q., Jaramillo, F., Kato, Y., Pinchuk, L., Schoephoerster, R. T. Hydrodynamic Evaluation of a Minimally Invasive Heart Valve in an Isolated Aortic Root Using a Modified In Vitro Model. J. Med. Devices. 3, 011002.1-011002.6 (2009).
- Baldwin, J. T., Campbell, A., Luck, C., Ogilvie, W., Sauter, J. Fluid dynamics of the CarboMedics kinetic bileaflet prosthetic heart valve. Eur. J. Cardiothorac. Surg. 11, 287-292 (1997).
