人工心脏瓣膜
学生姓名: 李生辉
学 号： 3120702008
专 业： 金属1201
人工心脏瓣膜
(Artificial Heart Valves)
摘要：
通过对生物工程概论的学习，我对人工心脏产生了兴趣。因而阅读了一些关于人工心脏和人工心脏瓣膜的相关书籍，在此整理出一篇读书报告。本文归纳总结了生物瓣和机械瓣的优点与缺点，论述了人工心脏及组织工程心脏瓣膜和机械瓣的研究发展方向。
关键词：
人工心脏(Artificial heart)；生物瓣（Bioprosthesis）；机械瓣（Mechanical valve）；研究进展（Research progress）
1、索引
每个人的心脏都有四个心脏瓣膜，通过它们的正常启闭来使血液循环全身，维持正常的生命活动。然而由于先天性的畸形和风湿性心脏病、心脏退化以及细菌感染等疾病所造成的后天性心脏瓣膜疾病将会导致心脏瓣膜功能异常，从而严重威胁人的生命。治疗这一疾病唯一的办法就是置换人工心脏瓣膜。由于人工心脏瓣膜是移植在人体内的一种人工器官，长期和活的心肌组织、血液等接触，可能会产生一系列复杂的反应，造成溶血、凝血，引起细胞的畸变和免疫排斥反应等，从而给患者造成新的疾病或痛苦。因此，理想的人工心脏瓣膜除了能完成其特定的功能外，还必须具有很好的生物相容性。近年来年来人们研制出多种人工心脏瓣膜，无数患者由于植入了人工心脏瓣膜而使生命得到延续。目前，应用于临床治疗的人工心脏瓣膜主要有生物瓣和机械瓣两种。
2、生物瓣的研究进展
生物瓣是仿照人主动脉瓣的三个半月瓣的结构，用生物组织制作而成的。瓣膜材料主要有同种同体组织，如阔筋膜、肺动脉等；同种异体组织，如主动脉、硬脑膜、阔筋膜等；异种异体组织，如猪的主动脉瓣、牛的主动脉瓣、牛心包等。瓣膜材料通常用戊二醛进行处理，既可以防止腐败，又可以减小生物材料的免疫原性。因为生物瓣是由生物组织材料制作，所以其具有很好的生物相容性，置入
后不需或只需短期抗凝。生物瓣的血流通过瓣口为中心流，没有阻塞体、血液动力学性能好。然而生物瓣也有一个很大的缺点：容易钙化、衰败、破损撕裂等，从而使得它的使用寿命较短，限制了它的临床应用范围：目前仍然没有有效提高生物瓣使用寿命的方法。
此外，对于同种异体和异种异体的组织虽然经过处理，但也还存在一定程度的免疫排斥反应，对于异种组织还有可能传染动物源性病毒。科学家应该应用工程科学和生命科学的原理和方法，认识哺乳动物正常和病理组织与器官的结构——功能关系，并开发具有生物活性的人工替代物，以恢复、维持或改善组织、器官的功能。组织工程属于新兴的第三代基于细胞的治疗方式，经过优化设计的工程组织植入人体后可以和周围的人体组织有机地整合，达到彻底治疗的目的。
就目前而言，人们对组织工程心脏瓣膜的研究方向主要是种子细胞的选择与培养、可供细胞进行生命活动的支架材料、细胞与支架材料之间的相互作用以及植入人体后组织工程瓣膜和心脏组织的相互作用以及整合。现在用做支架的材料主要有2种：
(1)人工合成可降解吸收的高分子材料，如：聚羟基乙酸(poly—glycolic acid，PGA)、聚乳酸(p01y—lactic acid，PLA)、聚羟基烷基酸脂(poly--hydroxy alkanoate，PHA)和聚卜羟基丁酸脂(poly—hydroxy butyrate，PHB)等。PLA和PGA是合成生物可降解吸收材料，PLA在生物体内降解后生成乳酸；PGA在生物体内降解后生成羟基乙酸。乳酸和羟基乙酸都是生物体内参与三羧酸循环的中间代谢产物，PLA的最终代谢产物是二氧化碳和水，经过肺呼出和肾排除。PHA是由微生物合成的可降解聚合物，属于天然生物可降解吸收材料。PHB是PHA家族中结构最简单的一种，它在生物体内降解成一羟基丁酸，是存在于人体血液中的天然物质。这些生物材料在降解过程中的产物均为人体代谢的中间产物和终产物，不存在异物反应和排斥反应，不会对人体造成损害，具有良好的生物相容性和生物安全性。但是在柔韧性、强度以及降解速度和组织相容性等方面还达不到临床应用的要求，目前的研究主要集中在寻找有利于组织细胞的培养和繁殖；降解速度和组织细胞生长同步；柔韧性、强度和生物组织匹配的材料上。
(2)动物组织支架。一般采用去垢剂、酶消化和超声清洗等方法彻底脱除动物瓣膜的细胞，保留由胶原蛋白、弹性蛋白、纤黏连蛋白和层黏连蛋白组成的支
架结构。动物组织支架保持了瓣膜的自然形态，具有较好的生物相容性。脱细胞瓣膜在异种动物之间的移植取得了成功，但是在人体实验中却产生了强烈的免疫反应。种子细胞按照其来源可以分为自体细胞、同种异体细胞和异种细胞3类。主要有血管壁本身间质细胞、内皮细胞、骨髓间质干细胞经过体外诱导分化的内皮细胞、人皮肤的成纤维细胞、成肌原纤维细胞和内皮祖细胞等。由于骨髓干细胞具有独特的免疫特性，能够在异体中生存，在体外培养过程中具有很强的增殖能力、能够跨系分化为各种组织并容易获取，所以是最有希望的种子细胞。目前组织工程心脏瓣膜的研究尚处于初级阶段，要应用于临床还有许多的问题需要解决。
3、机械瓣的研究进展
机械瓣是目前临床上应用最多的一种人工心脏瓣膜，它经历了第一代笼球瓣、笼碟瓣到第二代倾碟瓣再到第三代双叶瓣的发展历程。
笼球瓣构造简单、启闭稳定、耐久性好，但是中心血流受阻，在球瓣前后有涡流。笼碟瓣的阀体为碟形、瓣架较低，质量比较轻、耐久性比较好。但是跨瓣压差大、属于周围血流型，血流动力学性能差。倾碟瓣的阀体为碟形，由圆形碟环内铰链结构将碟片悬夹于瓣环内，碟片开启时向一侧倾斜60°～80°，血流被分为不相等的两部分，属于半中心血流型，经过大孔的流动基本为层流，血流动力学性能较好，但是小孔下游有较大的滞流区。
由于第一代和第二代机械瓣经常出现血栓，偶尔出现浮动碟片与支架碰撞的现象。因此目前临床上使用的主要是第三代的双叶瓣，它由两个半圆形片状瓣叶和一个圆形瓣环组成，每个瓣叶直径的两端各有一个轴与瓣环内相应凹槽构成铰链，可以自由启闭、有效瓣口面积较大、跨瓣压差小，属于中心血流型，血栓栓塞率低。它主要是由热解碳或钛合金等生物材料制成，具有很好的耐久性，平均使用寿命在30---50年。但是机械瓣在临床应用中存在一个最大的问题就是必须终生进行抗凝治疗，这对患者来说无疑是身心上的痛苦和经济上的负担。因此解决机械瓣膜的凝血问题是目前机械瓣膜研究工作中的中心内容，不仅具有重要的科学意义而且具有重大的经济价值和社会意义。
4、人工心脏及瓣膜的研制展望
人工心脏瓣膜是一种综合性的研究,它涉及到医学、生物学、生物医学工程
学、生物材料学等许多领域,因此必须集各方面科研人员和力量共同合作,相互配合才能使研制工作取得进展。过去世界上二十多年的研制虽已取得了很大进展,但离人体内应用还有一定距离。在血泵造型设计、血泵的体积和材料、能源的选择、人工心胜的监控,以及血流动力学的研究方面均需进一步深入。随着人工心脏向小型化、耐用性强及低阻力的发展有可能将来像人工心脏起搏器一样得以广泛应用。相信在不就得将来人工心脏的发展将会是一片光明！
参考文献：
[1]施益民，严中亚 组织工程化人工心脏瓣膜的研究进展[J] 安徽医学 2011，32（4）：538-539
[2] 张红超 人工心脏[Z] 新产业报告
[3] 谈梦伟，郭龙，徐志云 人工心脏瓣膜－患者不匹配现象研究进展[J] 第二军医大学学报 2011,32(4):433-435
[4] 郭俊萍 人工机械瓣膜置换术后的护理[J] 医学信息 2011,24（6）：3907-3908
[5] 聂岭,王强,王东进 人工心脏腱索的应用和研究进展[J] 中国修复重建外科杂志 2011,25(2):247-249
[6] 章少波，蔡建生，彭志坚 永久性人工心脏起搏器植入术后心功能变化的研究[J] 吉林医学 2011,32(18):3626-3627
人工心脏瓣膜
学生姓名: 李生辉
学 号： 3120702008
专 业： 金属1201
人工心脏瓣膜
(Artificial Heart Valves)
摘要：
通过对生物工程概论的学习，我对人工心脏产生了兴趣。因而阅读了一些关于人工心脏和人工心脏瓣膜的相关书籍，在此整理出一篇读书报告。本文归纳总结了生物瓣和机械瓣的优点与缺点，论述了人工心脏及组织工程心脏瓣膜和机械瓣的研究发展方向。
关键词：
人工心脏(Artificial heart)；生物瓣（Bioprosthesis）；机械瓣（Mechanical valve）；研究进展（Research progress）
1、索引
每个人的心脏都有四个心脏瓣膜，通过它们的正常启闭来使血液循环全身，维持正常的生命活动。然而由于先天性的畸形和风湿性心脏病、心脏退化以及细菌感染等疾病所造成的后天性心脏瓣膜疾病将会导致心脏瓣膜功能异常，从而严重威胁人的生命。治疗这一疾病唯一的办法就是置换人工心脏瓣膜。由于人工心脏瓣膜是移植在人体内的一种人工器官，长期和活的心肌组织、血液等接触，可能会产生一系列复杂的反应，造成溶血、凝血，引起细胞的畸变和免疫排斥反应等，从而给患者造成新的疾病或痛苦。因此，理想的人工心脏瓣膜除了能完成其特定的功能外，还必须具有很好的生物相容性。近年来年来人们研制出多种人工心脏瓣膜，无数患者由于植入了人工心脏瓣膜而使生命得到延续。目前，应用于临床治疗的人工心脏瓣膜主要有生物瓣和机械瓣两种。
2、生物瓣的研究进展
生物瓣是仿照人主动脉瓣的三个半月瓣的结构，用生物组织制作而成的。瓣膜材料主要有同种同体组织，如阔筋膜、肺动脉等；同种异体组织，如主动脉、硬脑膜、阔筋膜等；异种异体组织，如猪的主动脉瓣、牛的主动脉瓣、牛心包等。瓣膜材料通常用戊二醛进行处理，既可以防止腐败，又可以减小生物材料的免疫原性。因为生物瓣是由生物组织材料制作，所以其具有很好的生物相容性，置入
后不需或只需短期抗凝。生物瓣的血流通过瓣口为中心流，没有阻塞体、血液动力学性能好。然而生物瓣也有一个很大的缺点：容易钙化、衰败、破损撕裂等，从而使得它的使用寿命较短，限制了它的临床应用范围：目前仍然没有有效提高生物瓣使用寿命的方法。
此外，对于同种异体和异种异体的组织虽然经过处理，但也还存在一定程度的免疫排斥反应，对于异种组织还有可能传染动物源性病毒。科学家应该应用工程科学和生命科学的原理和方法，认识哺乳动物正常和病理组织与器官的结构——功能关系，并开发具有生物活性的人工替代物，以恢复、维持或改善组织、器官的功能。组织工程属于新兴的第三代基于细胞的治疗方式，经过优化设计的工程组织植入人体后可以和周围的人体组织有机地整合，达到彻底治疗的目的。
就目前而言，人们对组织工程心脏瓣膜的研究方向主要是种子细胞的选择与培养、可供细胞进行生命活动的支架材料、细胞与支架材料之间的相互作用以及植入人体后组织工程瓣膜和心脏组织的相互作用以及整合。现在用做支架的材料主要有2种：
(1)人工合成可降解吸收的高分子材料，如：聚羟基乙酸(poly—glycolic acid，PGA)、聚乳酸(p01y—lactic acid，PLA)、聚羟基烷基酸脂(poly--hydroxy alkanoate，PHA)和聚卜羟基丁酸脂(poly—hydroxy butyrate，PHB)等。PLA和PGA是合成生物可降解吸收材料，PLA在生物体内降解后生成乳酸；PGA在生物体内降解后生成羟基乙酸。乳酸和羟基乙酸都是生物体内参与三羧酸循环的中间代谢产物，PLA的最终代谢产物是二氧化碳和水，经过肺呼出和肾排除。PHA是由微生物合成的可降解聚合物，属于天然生物可降解吸收材料。PHB是PHA家族中结构最简单的一种，它在生物体内降解成一羟基丁酸，是存在于人体血液中的天然物质。这些生物材料在降解过程中的产物均为人体代谢的中间产物和终产物，不存在异物反应和排斥反应，不会对人体造成损害，具有良好的生物相容性和生物安全性。但是在柔韧性、强度以及降解速度和组织相容性等方面还达不到临床应用的要求，目前的研究主要集中在寻找有利于组织细胞的培养和繁殖；降解速度和组织细胞生长同步；柔韧性、强度和生物组织匹配的材料上。
(2)动物组织支架。一般采用去垢剂、酶消化和超声清洗等方法彻底脱除动物瓣膜的细胞，保留由胶原蛋白、弹性蛋白、纤黏连蛋白和层黏连蛋白组成的支
架结构。动物组织支架保持了瓣膜的自然形态，具有较好的生物相容性。脱细胞瓣膜在异种动物之间的移植取得了成功，但是在人体实验中却产生了强烈的免疫反应。种子细胞按照其来源可以分为自体细胞、同种异体细胞和异种细胞3类。主要有血管壁本身间质细胞、内皮细胞、骨髓间质干细胞经过体外诱导分化的内皮细胞、人皮肤的成纤维细胞、成肌原纤维细胞和内皮祖细胞等。由于骨髓干细胞具有独特的免疫特性，能够在异体中生存，在体外培养过程中具有很强的增殖能力、能够跨系分化为各种组织并容易获取，所以是最有希望的种子细胞。目前组织工程心脏瓣膜的研究尚处于初级阶段，要应用于临床还有许多的问题需要解决。
3、机械瓣的研究进展
机械瓣是目前临床上应用最多的一种人工心脏瓣膜，它经历了第一代笼球瓣、笼碟瓣到第二代倾碟瓣再到第三代双叶瓣的发展历程。
笼球瓣构造简单、启闭稳定、耐久性好，但是中心血流受阻，在球瓣前后有涡流。笼碟瓣的阀体为碟形、瓣架较低，质量比较轻、耐久性比较好。但是跨瓣压差大、属于周围血流型，血流动力学性能差。倾碟瓣的阀体为碟形，由圆形碟环内铰链结构将碟片悬夹于瓣环内，碟片开启时向一侧倾斜60°～80°，血流被分为不相等的两部分，属于半中心血流型，经过大孔的流动基本为层流，血流动力学性能较好，但是小孔下游有较大的滞流区。
由于第一代和第二代机械瓣经常出现血栓，偶尔出现浮动碟片与支架碰撞的现象。因此目前临床上使用的主要是第三代的双叶瓣，它由两个半圆形片状瓣叶和一个圆形瓣环组成，每个瓣叶直径的两端各有一个轴与瓣环内相应凹槽构成铰链，可以自由启闭、有效瓣口面积较大、跨瓣压差小，属于中心血流型，血栓栓塞率低。它主要是由热解碳或钛合金等生物材料制成，具有很好的耐久性，平均使用寿命在30---50年。但是机械瓣在临床应用中存在一个最大的问题就是必须终生进行抗凝治疗，这对患者来说无疑是身心上的痛苦和经济上的负担。因此解决机械瓣膜的凝血问题是目前机械瓣膜研究工作中的中心内容，不仅具有重要的科学意义而且具有重大的经济价值和社会意义。
4、人工心脏及瓣膜的研制展望
人工心脏瓣膜是一种综合性的研究,它涉及到医学、生物学、生物医学工程
学、生物材料学等许多领域,因此必须集各方面科研人员和力量共同合作,相互配合才能使研制工作取得进展。过去世界上二十多年的研制虽已取得了很大进展,但离人体内应用还有一定距离。在血泵造型设计、血泵的体积和材料、能源的选择、人工心胜的监控,以及血流动力学的研究方面均需进一步深入。随着人工心脏向小型化、耐用性强及低阻力的发展有可能将来像人工心脏起搏器一样得以广泛应用。相信在不就得将来人工心脏的发展将会是一片光明！
参考文献：
[1]施益民，严中亚 组织工程化人工心脏瓣膜的研究进展[J] 安徽医学 2011，32（4）：538-539
[2] 张红超 人工心脏[Z] 新产业报告
[3] 谈梦伟，郭龙，徐志云 人工心脏瓣膜－患者不匹配现象研究进展[J] 第二军医大学学报 2011,32(4):433-435
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[5] 聂岭,王强,王东进 人工心脏腱索的应用和研究进展[J] 中国修复重建外科杂志 2011,25(2):247-249
[6] 章少波，蔡建生，彭志坚 永久性人工心脏起搏器植入术后心功能变化的研究[J] 吉林医学 2011,32(18):3626-3627