利用新型聚合物通过应变能量最小化技术设计外科用心脏瓣膜

《Annals of Biomedical Engineering》：Strain Energy Minimization Technique to Design a Surgical Heart Valve Using a Novel Polymer

聚烯烃心脏瓣膜Foldax TRIA通过三维有限元建模优化叶轮宽度，降低应变能并均匀应力分布，实验显示其水动力学效率优于生物瓣膜，且可承受600百万次循环（约20年使用），为人工心脏瓣膜提供长期耐用解决方案。

　　

摘要

背景

天然主动脉心脏瓣膜在耐用性和效率方面表现出卓越的平衡，在人类寿命期间可承受超过20亿次开合循环。设计出能够复制这些特性的假体瓣膜面临重大挑战。聚合物心脏瓣膜的发展为现有的生物和机械瓣膜提供了有前景的替代方案，旨在提高耐用性和血液动力学性能。本研究重点关注Foldax TRIA聚合物心脏瓣膜的优化设计，利用计算建模来最小化应变能量并增强结构完整性。

方法

使用LS-Dyna开发了TRIA瓣膜的全三维计算模型，以模拟其在整个心动周期内的行为，并针对完全打开和完全关闭的配置进行优化。该模型采用了显式的有限元公式，且没有对称性约束，确保了瓣膜动力学的准确表示。瓣膜的小叶由LifePolymer?（一种专有的硅聚氨酯-脲材料）制成，框架则由Solvay Zeniva? PEEK材料制成，对它们的应变能量分布进行了分析。通过改变小叶宽度进行了扰动分析，以评估其对应变分布、耐用性和运动效率的影响。此外，还使用脉冲复制系统评估了其流体动力学性能。

结果

计算分析确定了一个最佳的小叶宽度，该宽度能够最小化应变能量并实现均匀的应力分布，从而降低长期材料疲劳的可能性。偏离这一最佳宽度的小叶在关键点处会产生过大的应变，从而引发潜在的耐用性问题。流体动力学测试表明，与领先的生物假体瓣膜相比，TRIA瓣膜具有较低的压力梯度和较高的等效孔径面积（EOA）。长期耐用性测试显示，该瓣膜在超过6亿次循环（相当于近20年的使用时间）内表现出稳定的性能。

结论

Foldax TRIA聚合物心脏瓣膜的优化设计成功地在最小化应变能量的同时最大化了流体动力学效率。计算和实验结果表明，这种新型聚合物瓣膜是传统心脏瓣膜假体的一个可行且持久的替代方案。未来的研究应重点关注体内验证，以进一步确立其临床疗效和使用寿命。