CN102415919A - 一种应用于改性人工生物瓣的稳态流场设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械领域。更具体而言，本发明提供一种用于改性人工生物瓣的稳态流场设备，包括泵、稳流器、用于容纳改性溶液的改性溶液腔以及用于将这些部件依序连接以形成闭合流路的管道。本发明还提供利用所述稳态流场设备对人工生物瓣改性的方法。由本发明的稳态流场设备改性所得人工生物瓣保留了良好的胶原纤维的波浪纹理结构，具有更好的柔韧性、拉伸强度和耐久性。

Description

一种应用于改性人工生物瓣的稳态流场设备和方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域。更具体而言，本发明涉及一种应用于改性人工生物瓣的稳态流场设备和方法。

背景技术

在心血管应用领域中，经常使用各种类型的人工瓣膜来更换代替功能不全或坏死的人体瓣膜。与人工机械瓣膜相比，包括牛心包膜和猪主动脉瓣在内的人工生物瓣，由于其与人体瓣膜更相近的生物结构和良好的生物兼容性，被越来越多地植入人体用于替代人体瓣膜工作，但是其最主要的弱点是耐久性差。人工生物瓣的耐久性很大程度上取决于能否完整良好地保持人工生物瓣的胶原纤维的波浪纹理结构。

在植入人体之前，需要对人工生物瓣进行化学改性以改善其界面性能，例如，通常将其与戊二醛交联来实现组织稳定性、降低抗原性并维持组织无菌性(参考文献1)。

通常人们主要通过将人工生物瓣在一定时期内静态浸没于不同浓度的戊二醛等各种溶液中(参考文献2-4)或者在不同浓度的戊二醛等各种溶液中进行搅拌(参考文献1)来对其进行化学改性。参考文献1将牛心包膜划分成4组，其中：将第1组固定于在室温下的磷酸盐缓冲液缓冲的0.5％戊二醛溶液(pH值为7.4)中达14天；第2组则在上述固定处理之后，还在37℃的乙酸缓冲的0.1M甘氨酸溶液(pH值为4.5)中处理48小时，此后在室温下的磷酸盐缓冲液缓冲的0.1M NaBH₄(pH值为7.4)处理24小时；第3组最初在0.5％的戊二醛溶液中固定11天，此后布置在有机溶剂(65％乙醇和5％辛醇的混合物)中的2％戊二醛溶液中并在室温下搅拌3天；第4组则在第3组所有的步骤之后，利用第2组所用方法利用甘氨酸进行处理。相较未处理牛心包膜，上述4组处理后的牛心包膜：在氨基酸成分中没有显著差异，但是大大降低了赖氨酸和组氨酸的含量；收缩温度显著提高；平均断裂伸长率大大提高。第2-4组尤其是第4组处理后的牛心包膜还表现出较好的抗钙化性能。参考文献2中通过将牛心包膜静态浸没在戊二醛溶液中来对牛心包膜进行化学改性，参考文献3中通过将多聚阴离子胶原膜(PAC)分别经过0、25和75个利用羟磷灰石矿化的连续周期的处理所得的人工生物膜PAC、PAC 25和PAC 75在室温下分别在0.01％和0.05％的递增浓度的戊二醛溶液中(在0.13摩尔/升的磷酸盐缓冲液中，pH值为7.4)静态浸没1个小时和7个小时来实现交联改性。参考文献4中依然通过将牛心包膜静态浸没在戊二醛溶液中来实现交联改性。

在现有技术中利用改性溶液对人工生物瓣进行改性的过程中，人工生物瓣所处的改性环境中的流体强度(诸如采用搅拌方法)、试剂浓度(诸如采用静态浸没方法)等均存在着等差梯度的问题；此外，人工生物瓣具有一定的柔性，导致其在上述改性环境中可能会发生折叠、褶皱以及弯曲等现象。从而可知，现有技术中的搅拌方法和静态浸没方法虽然提高了人工生物瓣的力学性能和界面性能，却会破坏人工生物瓣原有的波浪纹理结构。申请人通过将人工生物瓣在37℃的改性温度下在0.625％的戊二醛溶液中静态浸没14天以及以125rpm的转速利用搅拌方式处理14天所得到的人工生物瓣的照片显示，静态浸没法会得到褶皱结构的人工生物瓣，而搅拌法则破坏了人工生物瓣的胶原纤维的波浪纹理结构，一旦胶原纤维的波浪纹理结构被破坏，则胶原纤维无法维持其力学性能，更易因应用环境中的张力和冲击等而发生断裂，从而使得人工生物瓣的耐久性恶化，证实了现有技术的此缺陷。

由此可见，本领域存在对用于改性人工生物瓣的稳态流场设备的需求，该设备能够确保在将人工生物瓣在铺展的状态下利用稳态流场对其进行改性。另外，本发明旨在寻求一种用于改性人工生物瓣的稳态流场方法，该方法能够将人工生物瓣固定铺展开，并在此状态下利用稳态流场对其进行改性。上述设备和方法能够防止人工生物瓣在改性过程中的折叠、褶皱及弯曲以及流场的不稳定，从而能够更好保全胶原纤维的波浪纹理结构，进而增强人工生物瓣的力学性能和耐久性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于改性人工生物瓣的稳态流场设备，所述稳态流场设备包括泵、稳流器、用于容纳改性溶液的改性溶液腔以及用于将所述泵、稳流器和改性溶液腔依序连接以形成改性溶液的闭合流路的管道，其中：

在改性溶液腔内的上游处设有挡流板，用于调节流场截面中的流体压力分布；

在改性溶液腔内所述挡流板的下游处设有固定架，用于固定所述人工生物瓣，并在液流作用下延展开所述人工生物瓣使之在稳态流场中保持动态稳定。

在本文中，使用措辞“改性溶液”表示用于通过将人工生物瓣置于其中来对其进行改性的溶液。

优选地，所述挡流板上分布有输送孔径，所述输送孔径的分布密度与其所对应的人工生物瓣部位的刚性成反比。根据人工生物瓣的刚性分布，能够采用具有不同输送孔径分布的挡流板。例如，对于柔性的人工生物瓣，采用平流式挡流板；对于边缘刚性的人工生物瓣，采用扩流式挡流板；而对于刚性分布复杂的人工生物瓣，则采用混合型挡流板。

优选地，所述固定架包括：滑动槽；上滑轮和侧滑轮，以卡槽方式分别接收在所述滑动槽的上部和侧部中；与所述上滑轮和侧滑轮分别相连的夹具，用于夹持所述人工生物瓣，其中，所述侧滑轮能够在所述滑动槽的侧部中滑动。优选地，所述侧滑轮经由可伸缩式连接线与相应的夹具相连。优选地，在没有夹持所述人工生物瓣时，所述上滑轮能够在滑动槽的上部中滑动；而在夹持所述人工生物瓣之后，所述上滑轮被固定在滑动槽的上部中。利用这样的固定架结构，稳态流场能够作用于侧滑轮和/或与之相连接的可伸缩式连接线，自适应地调节侧滑轮在滑动槽的侧部中的位置和/或可伸缩式连接线的长度，从而固定并铺展开不同尺寸的人工生物瓣。

所述泵是选自柱塞式计量泵、隔膜式计量泵、电磁式计量泵和蠕动泵中的一种或几种，优选采用蠕动泵以避免对于改性溶液的污染。

改性溶液可以是选自氨基类封端剂、羧基类封端剂、羰基类封端剂、羟基类封端剂、金属离子竞争剂、金属离子竞争协效剂、游离醛基还原剂、游离醛基结合剂、磷脂类洗脱剂中的一种或几种。

还可以在所述改性溶液腔的下游处设置流量计算器，用于监测流量。

本发明还提供一种利用根据本发明的稳态流场设备对人工生物瓣进行改性的方法，包括如下步骤：

将改性溶液灌注到改性溶液腔中；

将人工生物瓣固定在固定架上；

开启泵，使得泵泵送改性溶液的液流依次流经稳流器、挡流板和固定架；利用改性溶液腔中的稳态流场作用于固定架，延展开所述人工生物瓣，使之在稳态流场中以动态稳定的状态接受改性。

附图说明

为了更清楚地描述本发明的技术方案，下面将结合附图作简要介绍。显而易见，这些附图仅是本申请记载的应用于改性人工生物瓣的稳态流场设备的一些具体实施方式。根据本发明的应用于改性人工生物瓣的稳态流场设备的结构包括但不限于以下这些附图。

图1为应用于改性人工生物瓣的稳态流场设备的结构示意图，其中还示出了固定在固定架3上在液流的作用下延展开并在流场中保持动态稳定的人工生物瓣9。

图2(a)-2(c)为各种类型的挡流板的结构示意图。

图3(a)示出了在没有夹持待改性的人工生物瓣情况下的固定架3的结构示意图，以及图3(b)是在夹持有待改性的人工生物瓣情况下的固定架3的结构示意图。

图4(a)和4(b)分别为示出了使用现有技术的静态浸没改性法以及本发明的稳态流场设备改性法改性后所得到的猪心包膜的宏观结构的照片。

图5(a)和5(b)分别为示出了使用现有技术的搅拌改性法以及本发明的稳态流场设备改性法改性后所得到的猪心包膜的胶原纤维的微观结构的偏光显微镜照片。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面将结合实施例对本发明的优选方案进行描述。这些描述只是举例说明本发明的特征和优点，而非限制本发明的保护范围。

实施例一

图1以示意性方式示出了用于改性人工生物瓣的稳态流场设备，该设备包括泵4、稳流器5、改性溶液腔1以及用于将泵4、稳流器5、改性溶液腔1依序连接以形成改性溶液的闭合流路的管道6，其中，在改性溶液腔1内的上游处固定有挡流板2，用于调节流场截面中各处的流体压力；并且，在改性溶液腔1内挡流板2的下游处固定有固定架3，用于固定并在液流的作用下延展开人工生物瓣9，使得人工生物瓣9在稳态流场中保持动态的稳定。

泵4将改性溶液泵送到稳流器5，经过稳流器5的作用，消除液流的脉动性以及杂流湍流，将稳定的液流馈送到改性溶液腔1的液流入口10。在本实施例中，泵4使用压头为15mmHg且流量为0.005～55000mL/min的蠕动泵。泵4也可以选自柱塞式计量泵、隔膜式计量泵、电磁式计量泵和蠕动泵中的一种或几种。蠕动泵是优选的，因为其不直接接触改性溶液，从而避免了由于采用机械泵等时在泵体叶片和改性溶液的直接接触过程中由于漏油和生锈等原因导致的改性溶液的污染。

经由液流入口馈入的改性溶液流经挡流板2，通过挡流板2上输送孔径的分布来调节流场截面中相应各处的流体压力。具体说来，流场截面中输送孔径分布越多的地方，相应的流体压力越小，而流场截面中输送孔径分布越少的地方，则相应的流体压力越大。由于人工生物瓣物理性能尤其是刚性的差异，在稳态流场中铺平不同的人工生物瓣所需的流场分布，尤其是流体压力的分布和大小，也是不同的。当人工生物瓣具有较好的柔软性时，可以采用如图2(a)所示的平流式挡流板，可以看到，在该平流式挡流板中均匀分布着较多的输送孔径，从而使得人工生物瓣在具有较小且均匀分布的流体压力的流场作用下铺平，进行化学改性过程。对于一些具有刚性边缘的人工生物瓣来说，则需要如图2(b)所示的扩流式挡流板，可以看到，在该扩流式挡流板中，中间区域中分布的输送孔径数量较多，而在边缘区域中分布的输送孔径数量较少，使得流经扩流式挡流板的两侧流体的流体压力较大而中间流体的流体压力较小，从而能够将更大的流体压力作用于刚性边缘，使得人工生物瓣能更好延展开。要注意，虽然图2(b)中仅仅示出了在两侧输送孔径数量较少，但扩流式挡流板涵盖周缘输送孔径数量较少的情况，周缘包括两侧边缘以及四周边缘等。有时候，人工生物瓣可能具有复杂的刚性分布，对其可以采用混合型挡流板，该混合型挡流板在对应于人工生物瓣的刚性部位的位置分布较少输送孔径，而在对应于人工生物瓣的柔性部位的位置则分布较多输送孔径的，从而能够更好地将人工生物瓣各部分铺展开来，避免折叠、折皱以及弯曲的不利状态。

将人工生物瓣9固定在固定架3上，并在经由挡流板2调整了流体压力分布后的流体作用下，使得人工生物瓣9在改性溶液的稳态流场中保持稳定的漂浮状态(如图1所示)，从而流场方向接近平行于其表面的胶原纤维的波浪纹理，大大降低了改性过程中对该波浪纹理的破坏作用。图3(a)示出了在没有夹持待改性的人工生物瓣9情况下的固定架3的结构示意图，固定架3包括：滑动槽16；上滑轮11a，与上滑轮11a相连的不可伸缩式连接线12a，与不可伸缩式连接线12a相连的夹子13；侧滑轮11b，与侧滑轮11b相连的可伸缩式连接线12b，与可伸缩式连接线12b相连的夹子13；以及用于在需要时将上滑轮11a固定在滑动槽16中的固定螺丝15。上滑轮11a在夹住人工生物瓣9前可以在滑动槽16中滑动，如图3(b)所示，当上滑轮11a所连接的夹子13夹住人工生物瓣9后，则通过旋紧固定螺丝15使其固定在滑动槽16中不可滑动。但是，侧滑轮11b所连接的夹子13在夹住人工生物瓣9后，仍然可在槽中滑动。通过使用这样的结构，当面对不同大小的人工生物瓣9时，可以通过调节侧滑轮11b在滑动槽16的位置以及调节可伸缩式连接线12b的长度，使得人工生物瓣在9稳态流场作用下铺展开来。由于侧滑轮11b和可伸缩式连接线12b的空间可调性，可以确保人工生物瓣9在铺展的状态下进行化学改性。该调节可以手动进行，也可以在稳态流场作用下适应性地自动调节，也可以手动和自适应相结合地进行调节。图3(a)-3(b)中示出了两个上滑轮11a以及每侧一个的两个侧滑轮11b作为示例，但是可以根据需要采用不同的滑轮数量。虽然在此通过侧滑轮11b在滑动槽中的可滑动性以及其所连接的连接线12b的可伸缩性，实现在液流的作用下对于侧滑轮位置和连接线长度的自适应调节，从而能够铺展开不同大小的人工生物瓣，需要知道，仅仅采用两者中的一种手段，也能够良好铺展开不同大小的人工生物瓣。

优选地，在稳态流场设备中，还可以在改性溶液腔1的液流出口8的下游处设置流量计算器7，来监测流量，以确保改性溶液的适当流量。

实施例二

利用根据本发明的稳态流场设备对人工生物瓣进行改性的方法包括如下步骤：

1.首先将挡流板2和固定架3插入改性溶液腔1中，利用管道6将泵4、稳流器5和改性溶液腔1(可选地，流量计算器7)顺序连接为闭合流路；

2.将改性溶液如戊二醛溶液或碳化亚胺溶液倒入改性溶液腔1中；

3.将人工生物瓣固定在固定架3上，固定过程中保持人工生物瓣的平整性；

4.开启泵4，使得泵4泵送液流依次流经稳流器5、挡流板2和固定架3；

5.改性溶液腔1中的稳态流场作用于固定架3的侧滑轮11b和可伸缩式连接线12b，调节侧滑轮11b的位置和可伸缩式连接线12b的长度，使得人工生物瓣铺展开来，并在铺展的稳定状态下接收化学固定改性。

6.最后得到表面平整性良好，胶原显微形态保持完好的人工生物瓣。

猪心包膜是常见的一种人工生物瓣，制备猪心包膜，使用上述方法对猪心包膜进行改性。具体说来，在37℃的改性温度下，以0.625％的戊二醛溶液作为改性溶液灌注到在实施例一中所描述的稳态流场设备中，将猪心包膜固定在固定架3上，固定过程中保持猪心包膜的平整性，开启泵4，设置泵的压头为15mmHg，使得泵4泵送上述戊二醛溶液依次流经稳流器5、挡流板2和固定架3。稳态流场作用于固定架3的侧滑轮11b和可伸缩式连接线12b，调节侧滑轮11b的位置和可伸缩式连接线12b的长度，使得猪心包膜铺展开来，并达到在稳态流场中的稳定漂浮铺展状态，在该稳定漂浮铺展状态下以上述戊二醛溶液的稳态流场对猪心包膜改性作用14天。

比较例1

在37℃的改性温度下，将猪心包膜在0.625％的戊二醛溶液中静态浸没14天。

比较例2

在37℃的改性温度下，将猪心包膜在0.625％的戊二醛溶液中以125rpm的转速持续搅拌14天。

效果例

分别取出通过采用本发明的稳态流场改性法(实施例二)、现有技术的静态浸没改性法(比较例1)以及搅拌改性法(比较例2)改性后所得的猪心包膜。

图4(a)和4(b)分别为示出了使用现有技术的静态浸没改性法以及本发明的稳态流场改性法改性后所得到的猪心包膜的宏观结构的照片。由这两幅照片可见，静态浸没改性法所得到的猪心包膜表面存在大量褶皱结构，容易破坏猪心包膜原有的胶原纤维的波浪纹理结构，而稳态流场改性法所得到的猪心包膜表面平整，没有褶皱折叠，能够较好地保存猪心包膜原有的胶原纤维的波浪纹理结构。

为了进一步比较现有技术的搅拌改性方法和本发明的稳态流场改性方法所得的猪心包膜的胶原纤维的微观结构，使用奥林巴斯偏光显微镜BX51-P来观察其微观结构，图5(a)和5(b)分别为示出了使用现有技术的搅拌改性法以及本发明的稳态流场设备改性法所得到的猪心包膜的胶原纤维的微观结构的偏光显微镜照片。从这两幅偏光显微镜照片可见，搅拌改性法所得到的猪心包膜的胶原纤维的波浪纹理结构被破坏，而稳态流场改性法所得到的猪心包膜的胶原纤维的波浪纹理结构得到良好的保留。

由此，本发明的稳态流场改性法所得到的猪心包膜相较静态浸没改性法和搅拌改性法都更好地保留了其胶原纤维的波浪纹理结构，从而得到更好的力学性能。

申请人进行的拉伸测试也证实了此效果。将上面三种改性方法所得的猪心包膜裁成5mm×50mm的试条浸在常温的PBS水浴槽中，将试条两端固定在夹具上，设置上下夹具间距离为25mm，固定好后利用Instron 5543型拉伸试验机对其进行预加载，预加载条件为：速率为60mN/min，最大负载数值为1mN，循环3次；预调后利用该拉伸试验机以25mm/min的加载速度沿纤维排列方向对样品进行应力加载，进行相应指标的测定，并计算材料的拉伸强度和断裂伸长率。

表1示出了采用静态浸没改性法、搅拌改性法和稳态流场改性法改性后所得的猪心包膜的力学性能参数。

表1

从表1中可见，利用稳态流场改性法改性后所得到的猪心包膜的断裂伸长率大大优于利用静态浸没改性法和搅拌改性法改性后所得到的猪心包膜的断裂伸长率，前者分别是后两者的2.77倍和3.33倍。也就是说，因为稳态流场改性法良好保留了猪心包膜的胶原纤维的波浪纹理结构，其改性后的猪心包膜具有更好的柔韧性。另外，从表1中还可以看到，利用稳态流场改性法改性后所得到的猪心包膜的拉伸强度与利用搅拌改性法改性后所得到的猪心包膜的拉伸强度大致持平，相较利用静态浸没改性法改性后所得到的猪心包膜的拉伸强度增加了20.8％。也就是说，利用稳态流场改性法改性后所得到的猪心包膜在具备大大优于现有改性方法的柔韧性的同时，还具有良好的拉伸强度，从而能够更好地抵抗应用环境中的张力和冲击，实现良好的耐久性。

虽然在以上实施例中使用了戊二醛溶液作为改性溶液，应该知道，还可以选择不同的化学改性溶液。该化学改性溶液可以是选自氨基类封端剂、羧基类封端剂、羰基类封端剂、羟基类封端剂、金属离子竞争剂、金属离子竞争协效剂、游离醛基还原剂、游离醛基结合剂、磷脂类洗脱剂中的一种或几种。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，但这些改进和修饰也落入本发明权利要求请求保护的范围内。

参考文献

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3)D.M.Veríssimo，R.F.C.Leitǎo，R.A.Ribeiro，S.D.Figueiró，A.S.B.Sombra，J.C.Góes，G.A.C.Brito.Polyanionic collagen membranesfor guided tissue regeneration：Effect of progressive glutaraldehydecross-linking on biocompatibility and degradation.Acta Biomaterialia，2010，6：4011-4018.

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Claims (11)

1.一种用于改性人工生物瓣的稳态流场设备，所述稳态流场设备包括泵、稳流器、用于容纳改性溶液的改性溶液腔以及用于将所述泵、稳流器和改性溶液腔依序连接以形成改性溶液的闭合流路的管道，其中：

在改性溶液腔内的上游处设有挡流板，用于调节流场截面中的流体压力分布；

在改性溶液腔内所述挡流板的下游处设有固定架，用于固定所述人工生物瓣，并在液流作用下延展开所述人工生物瓣使之在稳态流场中保持动态稳定。

2.根据权利要求1所述的稳态流场设备，其中，所述挡流板上分布有输送孔径，所述输送孔径的分布密度与其所对应的人工生物瓣部位的刚性成反比。

3.根据权利要求2所述的稳态流场设备，其中，所述挡流板选自平流式挡流板、扩流式挡流板和混合型挡流板。

4.根据权利要求1所述的稳态流场设备，其中，所述固定架包括：滑动槽；上滑轮和侧滑轮，以卡槽方式分别接收在所述滑动槽的上部和侧部中；与所述上滑轮和侧滑轮分别相连的夹具，用于夹持所述人工生物瓣，其中，所述侧滑轮能够在所述滑动槽的侧部中滑动。

5.根据权利要求4所述的稳态流场设备，其中，所述侧滑轮经由可伸缩式连接线与相应的夹具相连。

6.根据权利要求4所述的稳态流场设备，其中，在没有夹持所述人工生物瓣时，所述上滑轮能够在滑动槽的上部中滑动；而在夹持所述人工生物瓣之后，所述上滑轮被固定在滑动槽的上部中。

7.根据权利要求1所述的稳态流场设备，其中，所述泵是选自柱塞式计量泵、隔膜式计量泵、电磁式计量泵和蠕动泵中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的稳态流场设备，其中，所述泵是蠕动泵。

9.根据权利要求1所述的稳态流场设备，其中，所述改性溶液是选自氨基类封端剂、羧基类封端剂、羰基类封端剂、羟基类封端剂、金属离子竞争剂、金属离子竞争协效剂、游离醛基还原剂、游离醛基结合剂、磷脂类洗脱剂中的一种或几种。

10.根据权利要求1所述的稳态流场设备，其中，在所述改性溶液腔的下游处设置流量计算器，用于监测流量。

11.一种利用根据权利要求1-10中的任何一项所述的稳态流场设备对人工生物瓣进行改性的方法，包括如下步骤：

将改性溶液灌注到改性溶液腔中；

将人工生物瓣固定在固定架上；

开启泵，使得泵泵送改性溶液的液流依次流经稳流器、挡流板和固定架；利用改性溶液腔中的稳态流场作用于固定架，延展开所述人工生物瓣，使之在稳态流场中以动态稳定的状态接受改性。

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