纯热解碳人工机械心脏瓣膜体外性能试验

李海平，刘丽，苏春光

1. 兰州兰飞医疗器械有限公司，甘肃 兰州 730070；2. 中国食品药品检定研究院，北京 102629

引言

一直以来，风湿性病变是我国瓣膜类疾病的主要病因，中国心血管病患人数3.3亿，其中风湿性心脏病约250万[1]，风心病发展到一定阶段就需要进行心脏瓣膜手术。据统计，2019年全国心脏瓣膜手术量为73561例[2]。据此推算，每年使用人工心脏瓣膜数量为9～10万枚，并且每年仍会有一定幅度的增长，其中80%仍以机械心脏瓣膜为主。

自1960年Harken等[3]和Starr等[4]采用球笼瓣成功植入人工瓣膜以来，随着材料、工艺以及手术技术的不断改进，瓣膜远期置换效果有了明显改善，取得了良好的效果[5-6]。

目前全世界的机械心脏瓣膜均以热解碳为最主要的部件，热解碳虽代表了机械心脏瓣膜的较高水平，但对于临床要求来说，其血液相容性仍不够理想，部分瓣膜在体内会发生瓣膜功能障碍现象[7-8]，导致患者二次手术甚至死亡的不良后果[9]。究其原因主要是热解碳的主要成分为C及β-SiC，C的生物相容性极佳，Si的加入会提高材料硬度，但当Si含量过高时，易引起SiC集聚，其脆性增加，降低材料的整体耐磨性能。

在此背景下，能够制造出不含Si的纯热解碳，在提高血液相容性的同时，其各项性能又能满足人工瓣膜的要求，就显得很有必要。纯热解碳瓣膜是已上市的CL-V双叶瓣膜的改进型，其基本结构和设计原理是一致的，主要在热解碳材料上进行了优化和改善，经过一系列体外性能测试，证明其性能有很大的提升。

1 试验标准

依据GB 12279-2008《心血管植入物 人工心脏瓣膜》[10]、ISO 5840-1：2015《Cardiovascular implants - Cardiac valve prostheses-Part 1: General requirements》[11]和 ISO 5840-2：2015《Cardiovascular implants-Cardiac valve prostheses-Part 2 ： Surgically implanted heart valve substitutes》[12]，对于人工心脏瓣膜，除了进行瓣膜基本材料的力学特性、物理特性、化学特性、生物相容性评价外，还需要对其脉动流性能和耐久性性能进行评价。耐久性试验所采用的是超乎体内实际情况的苛刻条件，在高频时可产生低频时没有的应力，所以更能说明人工心脏瓣膜的耐久性。

在上述标准中，对于耐久性试验的瓣膜样品、测试设备、试验液体、试验步骤均做出了规定。耐久性试验应至少用3种尺寸，即大号、中号、小号瓣膜进行试验，并连续进行试验直到瓣膜破坏为止或至少循环400×106次（机械瓣，GB 12279-2008中此数值要求是380×106次），试验期间应每间隔50×106循环次数后检查一次。试验设备应能在每次循环时都能使瓣片完全打开和关闭，试验结束后根据瓣膜结构变化和破坏程度详细描述人工心脏瓣膜的外观。

此外，根据公司内控标准要求，对组成瓣膜的瓣架和瓣片分别进行断裂强度的测试，以检验其抗破坏性能差异。

2 材料与方法

2.1 试验设备

体外耐久性试验仪器可在一定程度上模拟人工瓣膜在体内的工作情况，即在加速状态下模拟生理情况下的原型流动过程、载荷及损伤过程等。试验采用加拿大Vivitro公司的Hicycle System人工心脏瓣膜疲劳试验仪（图1～2），该仪器可同时测试六枚瓣膜；模拟瓣膜每分钟开闭次数可连续调节达2000次/min，并保证瓣膜在每次循环中能全开全闭；跨瓣压差调节范围为0～15.6 kPa（0～120 mmHg）；瓣膜振动波形有9种可选，其中有5种波形为模拟不同收缩舒张比的心室收缩波形；并且配备有视频采集卡，可以将摄像机的图像通过视频采集卡直接显示在计算机的显示器上；工作介质采用生理盐水。被测试瓣膜安装在各自的托架上，由直线电机带动，在装有去离子水的圆桶中做上下往复运动，模拟心瓣的生理运动，通过长时间的疲劳试验测试瓣膜的耐疲劳性能。频率的调节由可控硅控制调节直流电机的电压而实现。频率用闪光测速仪测定，并用它观察监测心瓣的启闭和损坏情况，心室、心房和主动脉压由压力传感器通过示波器显示和生理记录仪绘出图线。

图1 Hicycle System人工心脏瓣膜疲劳寿命测试仪

图2 疲劳寿命测试仪循环回路示意图

瓣架和瓣片断裂强度使用数显拉压力试验机进行，图3为瓣片测试示意图，图4为瓣架测试示意图。

图3 瓣片断裂强度测试示意图

图4 瓣架断裂强度测试示意图

2.2 测试对象

CL-V双叶瓣膜为双叶机械瓣，由瓣架、瓣片、加固缝合环组件构成。两只对称的半圆形瓣片两端的凸耳安装在瓣架内环上的四个“8”字形凹槽内，实现瓣片的启闭功能；瓣架由热解碳制成；瓣片由含钨石墨的热解碳组成；缝合环由医用涤纶布缝合而成，缝制在瓣架外圆缝合槽内，用于和人体组织缝合。

本次研究主要是对由新型热解碳涂层材料的瓣架和瓣片组成的瓣膜与常规瓣膜进行性能对照试验。为使试验结果更具有意义，分别选取了最大、中等、最小尺寸三种规格的测试瓣膜和参照瓣膜进行测试。测试瓣膜的编号规则为“TEST-规格”，如“TEST-19”代表安装直径为19 mm的测试瓣膜；参照瓣膜直接采用其产品序列号。

体外耐久性测试瓣膜选取3枚纯热解碳机械心脏瓣膜（以下简称“测试瓣膜”），编号和规格分别为：TEST-19 19A瓣膜1枚，TEST-25 25M瓣膜1枚，TEST-31 31M瓣膜1枚，参照瓣膜选取兰州兰飞医疗器械有限公司已上市的含硅全炭双叶型人工机械心脏瓣膜（以下简称“参照瓣膜”），编号和规格分别是：160601023 19A瓣膜1枚，160609003 25M瓣膜1枚，171112006 31M瓣膜1枚。

工作频率设置为（1000±10）次/min，跨瓣压差 90～120 mmHg，每间隔50×106次循环取出瓣膜进行检查和对照，观察其易磨损部位，分析并记录瓣膜结构破坏或磨损。连续进行直到瓣膜破坏为止或循环次数至少达400×106次。检查测试瓣膜和参照瓣膜的磨损、破坏和功能损害，瓣膜功能损害包括瓣膜泄漏量增加和/或前向流阶段跨瓣压差增加，以对其耐久性、可靠性进行评估。

断裂强度试验分别从纯热解碳瓣膜和普通含硅瓣膜的合格瓣架和瓣片中随机选取各10个工件进行对比测试。

2.3 分析方法

（1）组织学和表面特征。使用图像采集方法，观察耐久性试验前后测试瓣膜和参照瓣膜的易磨损部位的金相组织并进行对照分析。使用Carl Zeiss MicroImaging GmbH公司制造的Axio Scope.A1研究级正立数字材料显微镜进行图像采集。Axio Scope.A1由显微镜体、图像采集装置和软件、计算机系统组成，可提供所有常见观察方式，应用于材料的结构分析和结构缺陷，各向异性样品分析等，并通过摄像头获取高清晰的数字图像。选用显微镜放大倍数为100倍，目标图像采集的物理条件应在试验前后相对一致，尺寸标定以微米（μm）为计量单位。

（2）外观检查。对测试瓣膜和参照瓣膜每隔50×106次循环时，采用10倍光学显微镜下观察其磨损情况并记录。

（3）功能损害。对测试瓣膜和参照瓣膜在耐久性试验前后的静态泄漏量进行测量，来判断其磨损状况。

（4）断裂强度。试验测试对象的断裂力和变形量。

3 结果

体外耐久性试验从2019年10月9日开始至2020年8月28日结束，历时10个多月，瓣膜共完成了406×106次启闭循环，平均每分钟启闭1003次，每次启闭循环都能使瓣膜的瓣片完全打开和关闭。按照GB 12279-2008标准规定，在每50×106次启闭循环及试验结束后，拆下瓣膜进行检查，直到试验结束。历次检查中未发现测试瓣膜和参照瓣膜发生结构性破坏、功能损害和其他机械故障，瓣膜缝合环没有撕裂、脱落现象，瓣膜整体状况完好。

在每次拆下瓣膜进行检查时，都会在Axio Scope.A1显微镜下对测试瓣膜和参照瓣膜的瓣片表面磨损状态进行观察并拍照，并与前一次检查时瓣片表面状况进行对比。图5～8分别是耐久性试验前、50×106次循环、100×106次循环、耐久性试验后（406×106次循环）的测试瓣膜与参照瓣膜的瓣片表面状态。

由图6可以看出，在经过50×106次启闭循环后，无论是测试瓣膜还是参照瓣膜，其瓣片表面均无磨损痕迹，与试验前瓣片表面无差异（图5）。而在经过100×106次启闭循环后对瓣膜的检查中发现，在瓣片闭合状态时两瓣片的平面接触位置，以及瓣片与瓣架接触的圆弧面，出现了断续的磨损痕迹，磨痕宽度为50～80 μm，长度不等，与瓣架和瓣片接触面的接合形状有关。测试瓣膜与参照瓣膜上的磨痕相比没有明显差异，见图7。随着试验继续进行，一直到试验结束的历次检查发现，上述磨痕没有大的扩展，见图8。分析认为，热解碳在磨损到一定程度时，两接触部件之间有自润滑作用，另外瓣片在关闭时试验腔内液体对其有一定的缓冲作用，也可以减缓其磨损痕迹的进一步扩展。

图5 耐久性试验前瓣片表面（100×）

图6 50×106次循环后瓣片表面（100×）

图7 100×106次循环后瓣片表面（100×）

图8 耐久性试验结束后（406×106次循环）瓣片表面（100×）

对于瓣片的磨损状况的进一步评价，采用GB 12279-2008和ISO 5840-2：2015中的静态泄漏测试方法进行，磨损痕迹面积越大，深度越深，说明瓣片和瓣架之间的缝隙越大，在同等压力条件下单位时间通过缝隙的流量就会越大。表1列出了耐久性试验前后静态泄漏量的数据。

从表1数据可以看出，在经过4亿多次启闭循环（相当于在人体中工作10年的启闭次数）的疲劳试验后，测试瓣膜和参照瓣膜的静态泄漏量均有不同程度的增加，也就是说磨损状况都影响到了瓣膜的静态泄漏量。对于不同测试样品间泄漏量变化率的不同，分析可能跟瓣架与瓣片间硬度差相关。摩擦学原理表明，两种完全同性材料间的磨损量远大于两种非同性材料间的磨损[13]，同时根据相关研究结论，两种材料间的硬度比值在0.7～1.1时，材料的磨损率最低，如果超过这个范围，硬度低的材料相对磨损率要高一些[14]。在瓣膜各组件部件中，瓣片和与其接触的瓣架是最易磨损的部件，因为瓣片在人体中是不断启闭的活动状态，过度磨损后容易脱落造成瓣膜故障危害，所以一般在瓣膜装配设计中让瓣片的硬度适度高于瓣架的硬度。表2中列出了测试样品瓣膜的瓣架和瓣片硬度测试值。

表1 耐久性试验前后瓣膜静态泄漏量数据

表2 测试样品的硬度值

耐久性试验前后的静态泄漏量变化值最小的样品TEST-25 25M和TEST-31 31M的瓣架瓣片硬度比值约为1：1.02，比值超过或低于此值时，泄漏量都会增加，尤其是171112006 31M样品，因其硬度较接近，泄漏量增加最为明显。这个结论对于瓣膜装配中具有一定的参考意义。

表3为纯解碳瓣片与含硅热解碳瓣片断裂强度测试数据，从表中数据可以看出，纯热解碳瓣片的断裂压力和断裂时的变形量均比含硅热解碳瓣片数值有明显提升，平均值均超过26%，说明纯热解碳瓣片材料的柔韧性提升明显。

表3 纯解碳瓣片与含硅热解碳瓣片断裂强度测试数据

表4为纯解碳瓣架与含硅热解碳瓣架断裂强度测试数据，从表中数据可以看出，纯热解碳瓣架的断裂压力和断裂时的变形量均比含硅热解碳瓣架数值有明显提升，断裂压力平均值提升超过26%，断裂时变形量提升超过27%，证实纯热解碳瓣架材料的柔韧性也有明显提升。

表4 纯解碳瓣架与含硅热解碳瓣架断裂强度测试数据

4 讨论

人工心脏瓣膜作为一种长期植入人体的人造器官，不仅要有优良的生物学性能，更重要的是可靠性强、耐久性好，植入患者体内后期望能正常工作几十年。人工心脏瓣膜的耐久性与患者的生存期紧密相关。根据GB 12279、ISO 5840标准的规定，体外耐久性测试应是人工心脏瓣膜体外性能的评价内容之一。因此，对人工心脏瓣膜除必须进行物理性能、化学性能、生物相容性、动物试验、临床试验等评价外，还必须进行疲劳耐久性的评价，这是一种新型瓣膜从试验室走上临床的必经之路[15-16]。

目前临床应用的热解碳材料中C以连续相存在，Si以β-SiC分散相的形式存在于C基质连续相中。Si含量在不大于16%时不会明显降低涂层抗血栓性能，但当硅含量高于16%后，易引起SiC集聚，粒度增大且分布不均，增加材料的脆性，可降低材料的耐磨性能。热解碳沉积过程使用的原料之一CH3SiCl3在存放时如遇明火、高热或与氧化剂接触，有引起燃烧爆炸的危险，受热或遇水分解会放出有毒的腐蚀性烟气，若遇高热，容器内压力增大，有开裂和爆炸的危险。在热解沉积过程中参与反应时CH3SiCl3会分解产生有毒的腐蚀性气体HCl，对环境和人体产生不利的影响。本研究所采用的纯热解碳具有良好的生物相容性的依据在于，热解碳涂层以单晶体热解碳形式存在，具有稳定的化学惰性；同时因为人体不会视碳为异物，不会发生排异反应，且纯热解碳在抛光后具有光滑的表面，因而其生物相容性极佳；与传统的含硅热解碳相比，更具柔韧性。

本研究在着重于对瓣膜整体进行体外耐久性测试之外，还分别对纯热解碳制成的瓣架和瓣片进行了断裂强度试验，并与已上市瓣膜进行对照，以评价纯热解碳人工机械心脏瓣膜的疲劳耐久性和抗破坏性能。通过测试，证实机械瓣膜的耐久性与其结构和材料的疲劳和磨损性能直接相关，在此之前，尚未发现有相关报道。

当然，依据《医疗器械注册与备案管理办法》[17]等相关法规要求，当组成医疗器械的原材料变化后，还有相当长的一个流程要走，还要进行各种各样的测试和验证，包括动物实验和临床试验，以保证该产品应用于人体并造福于人类。

5 结论

体外耐久性试验结果表明，当结构完全一样的纯热解碳人工机械心脏瓣膜和含硅热解碳人工机械心脏瓣膜在经过耐久性试验后，瓣膜均启闭正常，没有发生结构性破坏、功能损害和其他如飞片、碎裂、分层或剥离等机械故障或磨损，瓣膜缝合环没有撕裂、脱落现象，瓣膜整体状况完好。瓣片启闭时与瓣架接触部位的表面均有不同程度的磨损痕迹，根据其接触部位不同，其磨损尺寸和形状会略有差别，肉眼亦能看到轻微的磨痕，其磨痕大小和深度与含硅与否未发现有直接关联，而与瓣架和瓣片硬度有关。

瓣架与瓣片的断裂强度测试结果表明，与传统的含硅热解碳相比，纯热解碳材料断裂强度增加超过26%，即其柔韧性增强超过26%，产品植入人体后，其抗破坏性能会大大提升。取消瓣膜热解碳中硅的含量后，其影响是热解碳硬度会略低于含硅的热解碳，但因为同时改变了瓣架和瓣片的硬度，不会改变其摩擦学性能，也不会影响瓣膜的耐久性。

另外，在目前瓣膜所用热解碳中取消硅元素的添加，因为人体不会视碳为异物，所以采用先进工艺生产的不含硅的热解碳瓣膜不会发生排异反应，将会有更好的生物相容性；纯热解碳原材料采购减少，从而降低生产成本；减少污染发生并降低回收成本。

经过耐久性4亿次的启闭循环后，瓣膜没有发生飞片和碎裂等机械故障，即相当于在人体中工作时限达10年之久，说明纯热解碳人工机械心脏瓣膜的耐久性是可以达到相关标准要求的。