聚合物心脏瓣膜将取代机械瓣和生物瓣——医疗设备的新时代

图1移植生物心脏瓣膜有退行性改变(纤维化和钙化迹象) (A) 流出部分(等距图)，(B) 流出部分(俯视图)，(C)流出侧显微断层投影(等距图)，(D)流出侧显微断层投影(俯视图)。

自65年前第一个机械心脏瓣膜进入市场以来，新型人工心脏瓣膜的开发一直是一个挑战，它具有卓越的耐久性和安全性。近年来，高分子化合物的研究进展为克服机械和组织心脏瓣膜的主要缺陷(功能障碍和衰竭、组织降解、钙化、高免疫原性和高血栓风险)开辟了新的视野，为理想的人工心脏瓣膜的开发提供了新的见解。聚合物心脏瓣膜能很好地模拟天然瓣膜的组织水平力学行为。本文综述了高分子心脏瓣膜的发展历程，以及高分子心脏瓣膜的开发、制造和制造的最新进展。这篇综述讨论了以前研究过的高分子材料的生物相容性和耐久性测试，并介绍了最新的进展，包括LifePolymer的首次人体临床试验。讨论了新的有前途的功能聚合物、纳米复合生物材料和瓣膜设计在发展理想的聚合物心脏瓣膜方面的潜在应用。介绍了纳米复合材料和杂化材料与非改性聚合物的优缺点。本综述从高分子材料的性质、结构和表面等方面提出了几个可能适用于聚合物心脏瓣膜研发的概念。增材制造、纳米技术、各向异性控制、机器学习和先进的建模工具为聚合物心脏瓣膜的研究开辟了新的方向。

瓣膜性心脏病(VHD)是一种被低估的致残率、发病率、生活质量降低和过早死亡的原因。在一般人群中，年龄调整后的中度或重度VHD患病率占2.5%，进一步患病率从18 - 44岁的0.7%增加到75岁及以上组的13.3%。VHD患者明显的治疗不足表现在手术和经导管介入治疗的数量稳步增加。目前，VHD最常见的治疗方法是外科心脏瓣膜置换，采用机械瓣膜或组织瓣膜假体，全球每年约有25万- 30万例瓣膜置换。55%的病例通常植入机械心脏瓣膜(MHV)，而45%的病例选择组织心脏瓣膜(THV)。选择最佳心脏瓣膜替代品的决策过程主要受患者自身选择、年龄、抗凝治疗禁忌症和居住地[7]的影响。尽管MHV具有卓越的耐久性，但高剪应力可能导致血液成分的激活和血小板聚集的启动，导致血栓形成。因此，MHV受体需要终身抗凝治疗，以防止血栓栓塞事件。THV模拟天然瓣膜不需要这样的治疗，但由于瓣膜结构退化，包括钙化，寿命相当有限(图1)。THV受体术后5年内需要再次手术的病例占13.4-36.6%。由于目前的合并症、高龄和手术复杂性，每次再手术都与较高的围手术期并发症和死亡率相关。最近出现的微创经皮手术，如经导管主动脉瓣置换术(TAVR)，表明THV有更广泛应用的趋势。经导管入路用于首次心脏瓣膜置换术或重做瓣膜内植入。所有最近上市的经导管系统都被证明有良好的效果，特别是在有手术主动脉瓣置换术禁忌的老年人群中。然而，考虑到适应症扩大到低风险和中风险患者组，在压皱过程中使用较薄的心包和生物材料微损伤对TAVR的长期耐久性和免于SVD产生了质疑。

尽管最近人工心脏瓣膜的发展取得了进展，但它们显然需要新一代的心脏瓣膜来解决前一代心脏瓣膜的主要缺点。用于开发下一代心脏瓣膜的生物材料应能模拟天然瓣膜的力学和血流动力学特性。因此，组织工程心脏瓣膜(TEHV)是VHD治疗的最佳选择，因为它的开发使用了患者自己的细胞，提供了优越的生物相容性。近年来的局限性，包括对生理环境中的生物降解过程的不良控制，细胞外基质的形成，以及新器官的机械参数较差，都可能导致快速瓣膜功能障碍。

phv可能克服组织和机械假体的主要缺点，因为它们的接受者将不需要终身抗凝治疗，也不需要在7-9年内重复心脏瓣膜置换。这些益处对年轻人和老年人尤其重要，因为它们可能显著提高生活质量，并确保术后的良好临床结果。TAVR已被证明是一个可行的工具高手术风险人群，当生物材料被弹性生物稳定聚合物取代时，可能会变得更加优越。聚合物心脏瓣膜(PHV)能够提供优越的机械强度和抗疲劳性，以及所需的柔韧性、生物相容性和抗钙化性。与THV相比，PHV可植入任何年龄组的患者。多种生物相容性和生物稳定性的聚合物可用于聚合物阀门。phv在缺乏抗原(例如，半乳糖-1,3-半乳糖和n -糖聚酰神经氨酸)方面优于thv，这些抗原已知会触发组织的免疫反应。此外，合成材料完全消除了海绵状脑病的风险，海绵状脑病存在于牛源性组织中。与THV相比，柔性聚合物小叶的开发将通过高通量可重复的技术(例如，注射和压缩成型、浸塑成型等)简化制造和制造过程。前面提到的优点强调了开发理想的PHV和评估其安全性和耐久性的相关性。本综述为选择可能适合开发新一代医疗器械的最佳生物相容性材料提供了理论依据。

在过去的十年中，有几项研究报道了理想聚合物心脏瓣膜的成功和失败。然而，他们专注于描述phv的设计，很少关注聚合物、它们的性质、组成和表面。在这篇综述中，我们报道了最近开发的材料，如SiPUU (LifePolymer, Foldax, UT, USA)和首次在人体内植入这些PHVs， FGO-PCU (Hastalex)，一种独特的聚合物与石墨烯结合，SIBS纳米复合材料其他嵌段共聚物材料。此外，所有有关聚合物结构、性能和假肢设计的相关信息，连同体外和体内测试结果进行了总结。此外，之前的综述没有详细考虑聚合物的化学结构与阀门的耐用性和功能之间的关系。本综述的几个部分讨论了聚合物结构、组成和表面对最终用途机械性能、血液相容性、钙化和生物相容性的影响。主要的缺陷，包括血管翳、钙化、生物降解和血栓并发症，强调了引发这些并发症的基本机制。讨论了能够为聚合物心脏瓣膜的发展指明新方向的主要趋势、理念和技术(增材制造、纳米技术、机器学习、各向异性控制、先进建模工具等)。