机械瓣膜与生物瓣膜的特点与比较
上海理工大学 于通
【摘要】
人的心脏主要有4 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。治疗这一疾病最后的办法就是置换人工心脏瓣膜。传统上将人工心脏瓣膜按制造材料分两大类。一类是生物瓣，瓣的主体用生物组织材料制成。另一类是机械瓣，瓣的主体用生物人工材料制成。几十年来经过不断改进，两类瓣膜不论是性能还是质量都有了很大的改和提高。本文主要论述目前市场主要的心脏瓣膜各自的特点及互相之间的比较。
【关键词】
机械瓣膜，生物瓣膜 The characteristics and compare between mechanical valves and biological valves
Tong-Yu
University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China
【Abstract 】
There are four heart valves in people’s heart, through their normal opening and closing to make the blood circling in body and maintain normal life activities. However, due to congenital malformation and rheumatic heart disease, heart degradation and bacterial infection caused by diseases will lead to abnormal heart valve function, then make a serious threat to human life. The most useful way to cure this disease is heart valve replacement. According to the manufacturing materials the heart valves is divided traditionally into two broad categories. One kind ’s body is biological disc, flap with biological tissue material. Another kind is mechanical disc, the body of the valve with a biological artificial materials. For decades after continuous improvement, two types of valve both performance and quality has a great change and improve. This paper mainly discusses the market at present the main heart valve characteristics and the comparison between each other.
【Key words】
Mechanical valves , Biological valve,
1、人工机械瓣膜的分类及特点
人工机械瓣膜（机械瓣） 经历了笼球瓣、笼碟瓣、侧倾碟瓣及双叶碟瓣四代变迁，性能不断提高。以下是四种机械瓣膜的特点。
表1
由于笼球瓣和笼碟瓣自身的明显的缺陷以及术后的效果，这两种瓣膜现在已经基本不用，而侧倾碟瓣则仍然有一部分患者使用，目前使用最多的机械瓣膜是双叶瓣。双叶瓣的性能较其他类型的机械瓣膜更加优良，从材料选择到术后效果方面，双叶瓣明显的优势更加符合病人需求。
2. 生物瓣膜的研究进展
近年来，机械瓣膜的发展已经度过高峰期，改进空间已经非常有限。由于机械瓣膜在生物相容性，血流动力学性能，血流状态以及并发症发生率方面的缺陷，人们制造了另外一种与之对应的瓣膜，即生物瓣膜。生物瓣膜因其明显的优势及巨大的发展空间，迅速受到人们的重视。
生物瓣膜是按照人类半月板的结构原理制成，采用生物薄膜制成三个瓣叶，或直接将人或动物的主动脉瓣固定在特定的瓣架上，植入人体，替代病变或者发生功能障碍的瓣膜，完成瓣膜功能的一种全新的瓣膜技术。以下是目前主要生物瓣膜的类型及其特点比较。
表2
3. 机械瓣膜与生物瓣膜置换术后15年结果比较
使用机械心脏瓣膜主要问题是血栓栓塞，生物瓣膜的主要问题是瓣膜退变而不耐用。下面的实验材料是对使用机械瓣膜和生物瓣膜的患者术后生活的跟踪比较。
1977年至1982年间，美国某机构对接受了机械瓣膜和猪生物瓣膜的患者进行跟踪随访。
在术后一年两次的随访中，获得了死亡，并发症，心脏功能状态，抗凝情况等方面的资料。研究终点是任何原因所致的死亡及任何与瓣膜有关的并发症的最早出现。
结果表明：对幸存者15年的研究，用机械瓣膜进行主动脉瓣膜置换（AVR ）的病人，各种原因所致的死亡率低于使用生物瓣的病人(66％比79％，P=0．02) ，在二尖瓣置换（MVR ）的病人则相似。瓣膜失灵主要发生在年龄小于65岁的病人，在AVR 的病人，生物瓣膜对机械瓣膜为26％比O ％；而在MVR 的病人来说则为44％比4％。对于年龄超过65岁的病人，在AVR 术后，瓣膜失灵生物瓣比机械瓣为9％±6％比0％(P=O．16) 。使用生物瓣膜做AVR 的病人须再次手术治疗率显著较高。使用机械瓣膜者出血率较高。在这两组随机的人群中，其他的并发症，包括血栓栓塞及所有与瓣膜有关的并发症在统计学中没有明显区别。
4. 心脏瓣膜修复材料钙化和抗钙化的研究进展
生物瓣膜能给患者更好的术后生活质量，但因其钙化问题严重影响了生物瓣膜的使用寿命和效果，生物瓣膜的钙化和抗钙化是目前研究的主要方向。
4.l 钙化的决定因素、发生机理和调节因素
导致生物瓣膜钙化的相关因素包括：受体、植入材料、力学变性、钙盐晶体在残余细胞内和细胞骨架中成核聚集；其中较为关键是细胞膜磷脂和核酸内已存的有机磷，决定了钙磷酸盐晶体成核聚集的最初位点；力学变形则可能加速晶体成核及增大。
4.1.1决定因素
生物材料植入体内的效果取决于：①受体代谢。②植人物组织结构和化学性质。③机械应力。④其他促进因素和抑制因子。
受体低龄、戊二醛固定和过度的力学变形均可促进钙化。生物瓣在老年患者体内lO 年毁损率约为10％，但儿童和青少年在4年时即可有10％毁损率。幼龄动物实验模型也证实了移植物钙化进程快，然而年龄对于钙化的影响机制尚不清楚。
研究表明，70岁以上的患者植入生物瓣膜后的瓣膜钙化率较中年人较高，是瓣膜钙化的主要群体之一。
4.1.2钙化发生的机理
初始阶段，钙化主要发生在生物材料的结缔组织细胞，这些细胞经戊二醛预处理后已失活。正常情况下，血浆／细胞外液内钙离子浓度为l mg／ml) ；细胞膜可泵出钙离子，细胞质钙离子浓度仅为胞外1／103，l ／104，戊二醛可破坏细胞膜钙离子泵功能。细胞膜及胞内质膜等很多结构均富含磷酸盐，如膜磷脂、磷脂酰肌基丝氨酸和核酸的磷酸盐主链，这些结构可与钙离子结合启动成核聚集，缓慢增大、融合，逐渐形成较大的钙盐沉积结节，使得生物瓣膜组织变硬、脆弱致瓣膜功能丧失，形成钙化。
4.1.3调节因素
有研究发现，瓣膜的钙化是可调节的。正常血管和瓣膜组织中，抑制因素作用强于钙化诱导因素，不发生钙化；相反，病理性钙化中诱导因素占主导地位。自体和生物瓣膜及动脉硬化等病理性钙化中，典型的抑制因子包括骨桥蛋白和高密度脂蛋白(“有益的”胆固醇) 。目前研究较热的因子，如无机磷酸盐、骨形态蛋白、促进炎症类脂及其他细胞因子等，与抑制因子共同作用于病理性钙化。也有证据表明，高胆固醇血症是生物瓣钙化的一个危险因素。 心血管组织细胞体外培养、体内植入和转基因小鼠动物模型等，验证了心血管组织钙化变性的活化调节机制。如：平滑肌细胞体外培养中，骨桥蛋白能抑制其发生钙化，而促炎症类脂和细胞因子起促进作用嘲。在基质羟基谷氨酸蛋白基因敲除和骨桥蛋白基因失活的转基因小鼠体内，可发现血管明显的钙化变性。
4.2抗钙化策略
生物材料抗钙化有3种方法：①抗钙化药物全身疗法。②植人物药物输送装置局部疗法。③改变生物材料的某些特性，如去除易钙化成分、添加外源性药物以及化学方法预处理。
4.2.2各种抗钙化方法
由于瓣膜的钙化可以调节，因此针对瓣膜的钙化原因和机理，有了以下几种生物瓣膜抗钙化的方法，包括：戊二醛预处理后的改良／变性、羟基磷灰石形成抑制剂（二磷酸盐，三价金属离子等）、去除易钙化成分、使用钙扩散抑制剂等方法。
5. 心脏瓣膜面临的问题及未来前景
心脏瓣膜的研究工作虽然已取得巨大的成功，但由于心脏瓣膜所存在的问题，研究工作还要更加深入。
对于机械瓣膜来说，由于其生物相容性，流体力学性能以及术后并发症等方面的缺陷，未来机械瓣膜的主要研究方向是如何改善机械瓣膜在这些方面的性能，使之能更好的满足人体生理环境的需要，最大程度的改善患者的术后生活质量。
对于生物瓣膜，其存在的主要问题是术后瓣膜钙化，退变，已经不耐久的问题。未来生物瓣膜的主要研究方向是如何在不降低瓣膜生物相容性以及与人体生理环境的亲和性的基础上，尽量降低其缺陷，克服钙化和退变问题，并提高使用寿命，更好的服务患者。
在我国，心脏瓣膜病患者占心脏病患者的比例大约在3成左右，每年都有大量的患者需要进行瓣膜置换术。因此，目前心脏瓣膜的研究成果不仅不是终点，更是未来研究的基础。
【参考文献】
1. 刘郁倩，但年华，但卫华. 人工心脏瓣膜的研究进展 [A] 西部皮革 2013（20）25-30
http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_xbpg201320009.aspx
2. [英]Hammermeister ，J Am CoIl Cardi. 机械瓣膜与生物瓣膜置换术15年后结果对
比：对退伍军人随机试验的最终报告 [Z] 国外医学 2001（4） 254-257
http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gwyx-xxgjb200104039.aspx
4. 宋兵， 柳德斌， 高百顺. 心脏瓣膜修复材料钙化和抗钙化研究进展 [A] 国际生物医
学杂志 2010 33（5） 301-316
http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_gwyx-swyxgc201005011.aspx
5. 李康，杨重庆，鲁安怀等 心脏瓣膜钙化的增龄性改变 [J]中华老年医学杂志 2013,32
（9） 934-938
机械瓣膜与生物瓣膜的特点与比较
上海理工大学 于通
【摘要】
人的心脏主要有4 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。治疗这一疾病最后的办法就是置换人工心脏瓣膜。传统上将人工心脏瓣膜按制造材料分两大类。一类是生物瓣，瓣的主体用生物组织材料制成。另一类是机械瓣，瓣的主体用生物人工材料制成。几十年来经过不断改进，两类瓣膜不论是性能还是质量都有了很大的改和提高。本文主要论述目前市场主要的心脏瓣膜各自的特点及互相之间的比较。
【关键词】
机械瓣膜，生物瓣膜 The characteristics and compare between mechanical valves and biological valves
Tong-Yu
University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China
【Abstract 】
There are four heart valves in people’s heart, through their normal opening and closing to make the blood circling in body and maintain normal life activities. However, due to congenital malformation and rheumatic heart disease, heart degradation and bacterial infection caused by diseases will lead to abnormal heart valve function, then make a serious threat to human life. The most useful way to cure this disease is heart valve replacement. According to the manufacturing materials the heart valves is divided traditionally into two broad categories. One kind ’s body is biological disc, flap with biological tissue material. Another kind is mechanical disc, the body of the valve with a biological artificial materials. For decades after continuous improvement, two types of valve both performance and quality has a great change and improve. This paper mainly discusses the market at present the main heart valve characteristics and the comparison between each other.
【Key words】
Mechanical valves , Biological valve,
1、人工机械瓣膜的分类及特点
人工机械瓣膜（机械瓣） 经历了笼球瓣、笼碟瓣、侧倾碟瓣及双叶碟瓣四代变迁，性能不断提高。以下是四种机械瓣膜的特点。
表1
由于笼球瓣和笼碟瓣自身的明显的缺陷以及术后的效果，这两种瓣膜现在已经基本不用，而侧倾碟瓣则仍然有一部分患者使用，目前使用最多的机械瓣膜是双叶瓣。双叶瓣的性能较其他类型的机械瓣膜更加优良，从材料选择到术后效果方面，双叶瓣明显的优势更加符合病人需求。
2. 生物瓣膜的研究进展
近年来，机械瓣膜的发展已经度过高峰期，改进空间已经非常有限。由于机械瓣膜在生物相容性，血流动力学性能，血流状态以及并发症发生率方面的缺陷，人们制造了另外一种与之对应的瓣膜，即生物瓣膜。生物瓣膜因其明显的优势及巨大的发展空间，迅速受到人们的重视。
生物瓣膜是按照人类半月板的结构原理制成，采用生物薄膜制成三个瓣叶，或直接将人或动物的主动脉瓣固定在特定的瓣架上，植入人体，替代病变或者发生功能障碍的瓣膜，完成瓣膜功能的一种全新的瓣膜技术。以下是目前主要生物瓣膜的类型及其特点比较。
表2
3. 机械瓣膜与生物瓣膜置换术后15年结果比较
使用机械心脏瓣膜主要问题是血栓栓塞，生物瓣膜的主要问题是瓣膜退变而不耐用。下面的实验材料是对使用机械瓣膜和生物瓣膜的患者术后生活的跟踪比较。
1977年至1982年间，美国某机构对接受了机械瓣膜和猪生物瓣膜的患者进行跟踪随访。
在术后一年两次的随访中，获得了死亡，并发症，心脏功能状态，抗凝情况等方面的资料。研究终点是任何原因所致的死亡及任何与瓣膜有关的并发症的最早出现。
结果表明：对幸存者15年的研究，用机械瓣膜进行主动脉瓣膜置换（AVR ）的病人，各种原因所致的死亡率低于使用生物瓣的病人(66％比79％，P=0．02) ，在二尖瓣置换（MVR ）的病人则相似。瓣膜失灵主要发生在年龄小于65岁的病人，在AVR 的病人，生物瓣膜对机械瓣膜为26％比O ％；而在MVR 的病人来说则为44％比4％。对于年龄超过65岁的病人，在AVR 术后，瓣膜失灵生物瓣比机械瓣为9％±6％比0％(P=O．16) 。使用生物瓣膜做AVR 的病人须再次手术治疗率显著较高。使用机械瓣膜者出血率较高。在这两组随机的人群中，其他的并发症，包括血栓栓塞及所有与瓣膜有关的并发症在统计学中没有明显区别。
4. 心脏瓣膜修复材料钙化和抗钙化的研究进展
生物瓣膜能给患者更好的术后生活质量，但因其钙化问题严重影响了生物瓣膜的使用寿命和效果，生物瓣膜的钙化和抗钙化是目前研究的主要方向。
4.l 钙化的决定因素、发生机理和调节因素
导致生物瓣膜钙化的相关因素包括：受体、植入材料、力学变性、钙盐晶体在残余细胞内和细胞骨架中成核聚集；其中较为关键是细胞膜磷脂和核酸内已存的有机磷，决定了钙磷酸盐晶体成核聚集的最初位点；力学变形则可能加速晶体成核及增大。
4.1.1决定因素
生物材料植入体内的效果取决于：①受体代谢。②植人物组织结构和化学性质。③机械应力。④其他促进因素和抑制因子。
受体低龄、戊二醛固定和过度的力学变形均可促进钙化。生物瓣在老年患者体内lO 年毁损率约为10％，但儿童和青少年在4年时即可有10％毁损率。幼龄动物实验模型也证实了移植物钙化进程快，然而年龄对于钙化的影响机制尚不清楚。
研究表明，70岁以上的患者植入生物瓣膜后的瓣膜钙化率较中年人较高，是瓣膜钙化的主要群体之一。
4.1.2钙化发生的机理
初始阶段，钙化主要发生在生物材料的结缔组织细胞，这些细胞经戊二醛预处理后已失活。正常情况下，血浆／细胞外液内钙离子浓度为l mg／ml) ；细胞膜可泵出钙离子，细胞质钙离子浓度仅为胞外1／103，l ／104，戊二醛可破坏细胞膜钙离子泵功能。细胞膜及胞内质膜等很多结构均富含磷酸盐，如膜磷脂、磷脂酰肌基丝氨酸和核酸的磷酸盐主链，这些结构可与钙离子结合启动成核聚集，缓慢增大、融合，逐渐形成较大的钙盐沉积结节，使得生物瓣膜组织变硬、脆弱致瓣膜功能丧失，形成钙化。
4.1.3调节因素
有研究发现，瓣膜的钙化是可调节的。正常血管和瓣膜组织中，抑制因素作用强于钙化诱导因素，不发生钙化；相反，病理性钙化中诱导因素占主导地位。自体和生物瓣膜及动脉硬化等病理性钙化中，典型的抑制因子包括骨桥蛋白和高密度脂蛋白(“有益的”胆固醇) 。目前研究较热的因子，如无机磷酸盐、骨形态蛋白、促进炎症类脂及其他细胞因子等，与抑制因子共同作用于病理性钙化。也有证据表明，高胆固醇血症是生物瓣钙化的一个危险因素。 心血管组织细胞体外培养、体内植入和转基因小鼠动物模型等，验证了心血管组织钙化变性的活化调节机制。如：平滑肌细胞体外培养中，骨桥蛋白能抑制其发生钙化，而促炎症类脂和细胞因子起促进作用嘲。在基质羟基谷氨酸蛋白基因敲除和骨桥蛋白基因失活的转基因小鼠体内，可发现血管明显的钙化变性。
4.2抗钙化策略
生物材料抗钙化有3种方法：①抗钙化药物全身疗法。②植人物药物输送装置局部疗法。③改变生物材料的某些特性，如去除易钙化成分、添加外源性药物以及化学方法预处理。
4.2.2各种抗钙化方法
由于瓣膜的钙化可以调节，因此针对瓣膜的钙化原因和机理，有了以下几种生物瓣膜抗钙化的方法，包括：戊二醛预处理后的改良／变性、羟基磷灰石形成抑制剂（二磷酸盐，三价金属离子等）、去除易钙化成分、使用钙扩散抑制剂等方法。
5. 心脏瓣膜面临的问题及未来前景
心脏瓣膜的研究工作虽然已取得巨大的成功，但由于心脏瓣膜所存在的问题，研究工作还要更加深入。
对于机械瓣膜来说，由于其生物相容性，流体力学性能以及术后并发症等方面的缺陷，未来机械瓣膜的主要研究方向是如何改善机械瓣膜在这些方面的性能，使之能更好的满足人体生理环境的需要，最大程度的改善患者的术后生活质量。
对于生物瓣膜，其存在的主要问题是术后瓣膜钙化，退变，已经不耐久的问题。未来生物瓣膜的主要研究方向是如何在不降低瓣膜生物相容性以及与人体生理环境的亲和性的基础上，尽量降低其缺陷，克服钙化和退变问题，并提高使用寿命，更好的服务患者。
在我国，心脏瓣膜病患者占心脏病患者的比例大约在3成左右，每年都有大量的患者需要进行瓣膜置换术。因此，目前心脏瓣膜的研究成果不仅不是终点，更是未来研究的基础。
【参考文献】
1. 刘郁倩，但年华，但卫华. 人工心脏瓣膜的研究进展 [A] 西部皮革 2013（20）25-30
http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_xbpg201320009.aspx
2. [英]Hammermeister ，J Am CoIl Cardi. 机械瓣膜与生物瓣膜置换术15年后结果对
比：对退伍军人随机试验的最终报告 [Z] 国外医学 2001（4） 254-257
http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gwyx-xxgjb200104039.aspx
4. 宋兵， 柳德斌， 高百顺. 心脏瓣膜修复材料钙化和抗钙化研究进展 [A] 国际生物医
学杂志 2010 33（5） 301-316
http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_gwyx-swyxgc201005011.aspx
5. 李康，杨重庆，鲁安怀等 心脏瓣膜钙化的增龄性改变 [J]中华老年医学杂志 2013,32
（9） 934-938