Protokoll för relativ Hydrodynamisk Bedömning av Tri-broschyr Polymer Ventiler
Summary
Det har förnyat intresse att utveckla polymera ventiler. Här är målet att visa på möjligheterna att modifiera en kommersiell puls duplicering att rymma tri-broschyr geometrier och att fastställa ett protokoll för att presentera polymer uppgifter ventil hydrodynamiska i jämförelse med infödda och protes ventil som samlats in under nästan identiska förhållanden.
Abstract
Begränsningar av nu tillgänglig protetiska ventiler, xenotransplantat och homografter har föranlett en ny återuppvaknande av utvecklingen inom området tri-broschyr polymer ventil proteser. Dock är identifieringen av ett protokoll för inledande bedömning av polymer ventil hydrodynamiska funktionalitet avgörande under de tidiga stadierna av designprocessen. Traditionella in vitro puls duplicering system är inte konfigurerad för att rymma flexibla tri-broschyr material, dessutom, behovsbedömning av polymer ventil funktionalitet ska göras inom en relativ sammanhang till infödda och hjärtklaffproteser under identiska testförhållanden så att variationen i mätningarna från olika instrument kan undvikas. Därför genomförde vi hydrodynamiska bedömning av i) nativ (n = 4, menar diameter, D = 20 mm), ii) bi-broschyr mekanisk (n = 2, D = 23 mm) och iii) polymer ventiler (n = 5, D = 22 mm) via användning av ett kommersiellt tillgängligt puls system för duplicering (ViVitro LabsInc, Victoria, BC) som ändrades för att rymma tri-broschyr ventil geometrier. Tri-broschyr silikon ventiler utvecklats vid University of Florida bestod polymeren ventilgruppen. En blandning i förhållandet 35:65 glycerin till vatten användes för att härma blod fysikaliska egenskaper. Momentan flöde mättes vid gränsytan mellan vänster kammare och enheter aorta medan trycket registrerades vid ventrikel och aorta positioner. Bi-broschyr och infödda uppgifter ventilen från litteraturen användes för att validera flödet och avläsningar tryck. Följande hydrodynamiska statistik rapporterades: framåt flöde tryckfall, aortic strömeffektivvärde framåt flöde, aorta stängning, läckage och regurgitant volym, transaortic stängning, läckage och totala energiförluster. Representativa resultat indikerade att hydrodynamiska statistik från de tre ventil grupperna framgångsrikt skulle kunna erhållas genom att inkorporera en specialbyggd montering i ett kommersiellt tillgängligt puls duplicering och subsequently, objektivt jämfört att ge insikter om funktionella aspekter av polymer ventil design.
Introduction
Hjärtklaff sjukdom resulterar ofta från degenerativa ventil förkalkning 1, reumatisk feber 2, endokardit 3,4 eller medfödda fosterskador. När ventilen skador uppstår, vilket orsakar stenos och / eller uppstötningar ventil framfall och inte kan opereras repareras, är den infödda ventilen vanligtvis ersätts av en protes ventil. För närvarande tillgängliga alternativ inkluderar mekaniska ventiler (bur-kulventiler, lutande disk ventiler osv.), Homograft och bioprotetiska ventiler (svin och nötkreatur ventiler). Mekaniska ventiler är ofta rekommenderas för yngre patienter baserat på deras hållbarhet, men patienten måste stanna kvar på antikoagulantiabehandling för att förebygga trombotiska komplikationer 5. Homograft och biologiska protetiska ventiler har varit effektiva val för att undvika blod tunnare terapi, men dessa ventiler har förhöjd risk för fibros, förkalkning, degeneration och immunogena komplikationer som leder till ventilen misslyckande 6. Vävnadstekniska ventiler utreds som en ny teknik 7-9, men mycket återstår fortfarande att bli upptäckt. Alternativa hållbara, biokompatibla, protetiska ventiler behövs för att förbättra livskvaliteten för sjukdomen hjärtklaff patienter. Återigen kan denna ventil konstruktion ersätta bioprosthesis används i transcatheter ventilsteknik, med Transcatheter tillvägagångssätt visar potentialen för att omvandla behandling av utvalda patienter med hjärtklaff sjukdom 10.
Som framgår av gällande standarder, bör en lyckad hjärtklaff ersättning har följande egenskaper: "1) tillåter framåt flöde med acceptabelt liten genomsnittlig tryckskillnad drop, 2) förhindrar tillbakagående flöde med acceptabelt liten uppstötningar, 3) motstår embolisering, 4) motstår hemolys, 5) motstår blodproppsbildning, 6) är biokompatibla, 7) är kompatibel med in vivo diagnostiska metoder, 8) kan levereras och implanteras i måletbefolkningen, 9) förblir fast en gång placerade, 10) har en acceptabel ljudnivå, 11) har reproducerbar funktion, 12) bibehåller sin funktionalitet för en rimlig livslängd, överensstämmelse med dess generiska klassen, 13) bibehåller sin funktionalitet och sterilitet för en rimlig hylla liv före implantationen. "11. Vissa av bristerna i de befintliga ventil proteser kan potentiellt övervinnas genom en polymer ventil. Biokompatibla polymerer har ansetts toppkandidater baserade på biostabilitet, anti-hydrolys, anti-oxidation, och fördelaktiga mekaniska egenskaper, såsom hög hållfasthet och viskoelasticitet. Särskilt kan elastpolymerer tillhandahålla material deformation liknar infödda ventil dynamik. Elaster kan skräddarsys för att efterlikna mjukdelar egenskaper, och de kan vara de enda konstgjorda material som finns som är bio-toleranta och som tål den kopplade, in vivo, fluid-inducerade, böj-och draghållfasthet betonar ändå röra sig på ett sätt som liknar frisk,infödda ventil rörelse. Dessutom kan elastomerer massproduceras i en mängd olika storlekar, lagrade med lätthet, förväntas vara kostnadseffektiva enheter och kan strukturellt förstärkt med fibrös armering.
Begreppet användningen av polymera material för att montera en tri-broschyr ventil är inte ny och har varit föremål för flera forskningsprojekt undersökningar under de senaste 50 åren 12, som övergavs i hög grad på grund av begränsad ventil hållbarhet. Men med tillkomsten av nya tillverkningsmetoder 13,14, förstärkning av polymera material 15,16 och potentiellt sömlös integrering av polymera ventil substitut med transcatheter ventil teknik, har det nyligen varit ett förnyat intresse och aktivitet för att utveckla polymera ventiler som ett potentiellt livskraftigt alternativ till för närvarande tillgängliga kommersiella ventiler. I ljuset av detta är ett protokoll för att möjliggöra provning av dessa ventiler att bedöma hydrodynamiska funktionalitet första stegeti utvärderingsprocessen, men kommersiellt tillgängliga puls simulatorsystem allmänhet inte är utrustade för att rymma tri-broschyr ventilutformningar och innehåller en ringformig avstånd för att infoga kommersiellt tillgängliga hjärtklaffar (t.ex. tippning skiva, bi-broschyr mekaniska hjärtklaffar). Andra polymera ventiler är en ny teknik som hydrodynamik kan endast bedömas i ett relativt sammanhang. Trots att nativt hjärtklaff tryck och dataflöde är tillgänglig, är det viktigt att utföra testning av nativa ventiler aortic porcina, som är biologiskt liknar människans ventiler, med samma pulserande simulator som används för att utvärdera polymer-ventilerna så att företaget har för mätning skillnader som kan vara systemberoende. Således var målet för denna studie för att visa hur en kommersiellt tillgänglig puls simulator kan förses med en anordning för att rymma tri-broschyr ventil konstruktioner och att systematiskt utvärdera polymer metrics ventil hydrodynamiska i en relativ fortsext i jämförelse med mekaniska och infödda ventil grishjärta motsvarigheter. I vårt fall, nya tri-broschyr silikonpolymermaterial ventiler tidigare utvecklat vid University of Florida 13 innefattade polymeren ventilgruppen.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denna studie har vi visat användbarheten av modifiering av en kommersiellt tillgänglig pulserande duplicering enhet att rymma tri-leaflet ventil geometrier så att hydrodynamiska testning av polymer och nativa ventiler svin kan utföras. Specifikt i vårt fall, var systemet modifierad en ViVitro hjärtats vänstra och systemisk simulatorsystemet (figur 1a) styrs via ViViTest datainsamlingssystemet (ViVitro Systems, Inc, Victoria, BC, Kanada). Emellertid är systemet inte till skillnad från ett fler…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ett frö bidrag från University of Florida – College of Medicine är tacksamt erkänns. Graduate studier (Manuel Salinas) stöddes genom en minoritet möjligheter i biomedicinska forskningsprogram – forskningssatsning för vetenskaplig förbättring (MBRS-RISE) gemenskap: NIH / NIGMS R25 GM061347. Finansiellt stöd från Wallace H. Coulter stiftelsen genom Florida International University, är biomedicinteknisk också tacksamt erkänns. Slutligen författarna tacka följande studenter för deras stöd under olika faser av den experimentella processen: Kamau Pier, Malaki Suttle, Kendall Armstrong och 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 |
References
- 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).
