一种的开发 离体 使用脉动流模拟器的二尖瓣评估模型

摘要

我们介绍一种 离体 用于将羔羊二尖瓣安装至脉动模拟器的模型，以在生理条件下评估瓣膜功能。该装置能够在可重复且解剖结构精确的配置中，利用生物组织对二尖瓣动力学进行定量评估。

摘要

二尖瓣外科修复术仍是一项具有挑战性的手术。尽管已有多种修复技术被定义，但比较这些技术血流动力学效应的数据仍然缺乏。目前常用的商用脉动模拟器（pulse duplicator）通常用于模拟血液流经机械瓣膜或3D打印的心脏瓣膜的情况。然而，由于二尖瓣具有特殊的结构和工作机理，针对外科技术的实验需要使用生物组织。离体绵羊二尖瓣适用于此类实验，但将这些瓣膜安装到脉动模拟系统（PDS）中的方法尚未明确。为解决这一问题，我们通过3D打印和硅胶模具技术对系统进行了改进，制备了一种二尖瓣固定装置。每次实验均从绵羊心脏中完整切除包含瓣环及瓣下结构的二尖瓣，并利用硅胶固定装置将其植入测试装置的房室（二尖瓣）区域。通过在乳头肌-腱索连接处打结缝线，并将缝线穿过心室腔底部的释放孔，以模拟乳头肌张力。初始瓣膜功能测试在心率为120次/分钟、心输出量为2 L/min的条件下进行。使用脉动模拟器的电磁流量计测量瓣膜反流情况以及心房与心室腔之间的压力梯度，并通过超声心动图进行验证。基线血流动力学测试在五次实验中显示出一致的瓣膜功能，平均反流分数为21.1%，超声测得的跨瓣压差范围为5.15至8.13 mmHg。不同样本之间的每搏输出量和峰值流速存在差异，反映了儿科模型中的生理变异性。

引言

二尖瓣修复术已取得显著进展，现代外科技术提高了疗效并改善了长期预后¹。尽管许多医疗中心已对二尖瓣修复策略进行了标准化，但在全面评估这些干预措施的血流动力学影响方面，仍存在持续的空白²。优化修复策略，特别是针对解剖结构复杂或儿科病例，需要能够实现可控、可重复生理测试的模型。

本研究的主要目标是利用生物性二尖瓣建立一种可重复的离体模型，以在生理流动条件下精确评估瓣膜动力学。脉动模拟系统通过在接近生理条件的情况下实现对瓣膜功能的离体分析，显著推动了瓣膜生物力学领域的发展^3,4,5。这些系统已被应用于主动脉瓣和肺动脉瓣，最近也逐步用于二尖瓣的研究。然而，开发该技术的动因源于二尖瓣独特的解剖结构和功能复杂性，尤其是其瓣下装置，这要求建立生物学上精确的模型。目前已有大量关于二尖瓣离体模型的文献；然而，这些研究均未详细描述组织获取技术，也未强调在提取过程中保持二尖瓣及其瓣下装置结构完整性的关键步骤^6,7。此外，现有文献缺乏关于如何成功将切除的瓣膜整合到脉动模拟系统中的实用指导，而这一过程对于实现具有生理相关性的血流动力学模拟至关重要。

在成人心脏外科手术中，已有多种修复技术通过离体（ex vivo）模型进行了评估，例如缘对缘修复、腱索置换和乳头肌近似术⁵。这些技术已提供了有价值的生物力学见解。相比之下，儿科领域的应用仍 研究不足，仅有少数离体（ex vivo）研究针对二尖瓣裂等先天性畸形。其中一项研究证明了完全闭合裂隙对于恢复瓣膜功能的重要性⁶。

该方法特别适用于在受控环境中评估先天性或复杂性二尖瓣病变修复效果的研究人员和临床医生。通过获取羔羊心脏的二尖瓣装置（因其解剖结构与儿童瓣膜相似），并将其安装在脉动流模拟器内的定制硅胶支架中，该系统可模拟真实的血流动力学环境，并支持连续测试。重要的是，该模型避免了活体动物实验，且提供了一个可调节的平台，用于模拟反流、狭窄、瓣裂或瓣下融合⁸。

本研究采用 Vivitro 脉动模拟系统评估二尖瓣的功效并模拟心脏功能。实验程序首先启动系统软件，随后选择适当的波形参数，例如收缩期与舒张期时长比、心率（次/分钟）以及波长。将二尖瓣置入模拟器的测试腔室，并连接所有必要的传感器。打开校准文件，同时启动系统，确保传感器安装后传感器和管路中的空气被完全排出。为保证测量的精确性，整个流体回路必须无氧，并完全充满生理盐水溶液。当系统进入稳态运行后，将每搏输出量调整为 25 mL。在确认系统无泄漏或错误后，开始数据采集，记录连续 10 个心动周期的数据。生成的数据随后以电子表格格式导出，用于进一步分析。该系统能够自动计算大多数所需参数，包括反流容积和多项压力测量值，从而简化了本研究的定量评估（图 1A）。

总之，这种ex vivo模型为研究二尖瓣修复提供了一种标准化且具有生物学相关性的方法，弥合了计算机模拟与in vivo实验之间的差距，提升了外科技术创新的转化价值。

方案

本研究使用从持证屠宰场获取的羔羊心脏进行，这些心脏为动物死后所得。根据伊斯坦布尔大学-哲拉帕夏动物实验地方伦理委员会（2025/11号）的决定，本工作属于HADYEK指令第八条（8-k1款）规定的豁免范围，因此无需伦理审批。

1. 实验设置

1. 使用 3D 建模软件复制脉冲复制系统中的二尖瓣流入组件。创建现有几何结构的数字副本以确保兼容性。使用 PLA 耗材在 3D 打印机上打印该设计。利用打印出的模具浇铸硅胶流入室。固化后，将硅胶部件集成到系统中，确保其安装牢固并保持良好密封（图 1B，C）。
2. 从附近屠宰场获取羔羊 心脏，并立即注意确保心脏为死后获取，以保持其生理状态。采集后，将心脏单独储存在 -20 °C 冰箱中以维持其结构完整性，或立即用于实验操作。
   注意：所有实验均在适当的安全防护措施下进行。全程佩戴手套并使用通风橱，所有手术器械每次使用后均用酒精消毒。

2. Ha​收获二尖瓣

1. 右心室和右心房切开术及切除术
   1. 在心脏心尖处使用手术剪做一横向切口。沿室间沟将切口向上延伸至右心室。解剖过程中注意避免损伤乳头肌。参考 图2A - B 用于切口路径和解剖标志。
   2. 使用手术剪切除右心室游离壁以扩大暴露视野，随后继续切除右心房。 整块 充分暴露室间隔。此步骤对于后续的瓣下结构解剖至关重要。图3A，B).
2. 室间隔切开术
   1. 从主动脉根部向左心室腔内观察二尖瓣。根据其位于主动脉瓣平面下方的方位辨认前叶。在进行室间隔切口前，确保充分暴露瓣叶。图 4A).
   2. 使用精细的手术剪，从二尖瓣前叶对侧的主动脉根部开始，切开室间隔。沿室间隔向下延伸切口，直至先前制作的心尖切口处。打开室间隔以暴露左心室腔，注意不要损伤瓣下结构。图4B).
3. 乳头肌解剖
   1. 暴露左心室，使用精细剪刀切除乳头肌。保留腱索以维持二尖瓣功能（图4C).
4. 左心房切除
   1. 环形切除左心耳，以从上方更好地显露二尖瓣环图 5A，B).
   2. 通过左心房将乳头肌向上移位，以翻转二尖瓣，并从心室面安全暴露乳头肌以便切除图6A).
   3. 修剪二尖瓣环周围多余的组织，确保周围至少保留10 mm的组织，以维持其解剖完整性和功能（图6B).
5. 肺和主动脉组织的切除
   1. 从主动脉和肺动脉上清除任何残留的组织，以防止其干扰二尖瓣装置在硅胶模具中的放置。

3. 将二尖瓣放置到硅胶模具中

1. 二尖瓣测量
   1. 沿前后轴测量前叶和后叶二尖瓣瓣叶的长度，以评估瓣叶尺寸（图7A、B）。
   2. 记录二尖瓣沿中侧轴的长度，用于后续模具适配和尺寸分析（图7C）。
   3. 将接合区的头尾长度估计为后叶前后长度的约1/4^th。测量该距离以评估瓣叶重叠程度和密封能力。
   4. 利用测得的尺寸计算合适的瓣环固定边缘。选择30 mm硅胶模具，以确保二尖瓣装置的最佳适配和稳定（图8A）。使用以下公式：
      a = (30-x)/2
      其中a = 应从交界处保留的距离；x = 测得的中侧轴长度。
      b = (30 - z y) /2−估计的ZC长度
      其中b = 表示前叶和后叶剩余的保留距离；y = 后叶长度；z = 前叶长度。
   5. 完成测量后，连接所有点形成连续的环形轮廓，代表将缝合到硅胶模具上的区域（图8B）。
2. 组织安装与腱索固定
   1. 使用16个U形缝线将二尖瓣组织固定在硅胶模具上，以固定瓣环并维持其解剖位置（图9A）。
   2. 使用2-0涂层编织聚酯缝线，在乳头肌插入点处结扎腱索。
   3. 将缝线穿过心室腔底部的释放孔并固定，以模拟生理状态下的乳头肌张力。通过视觉调整瓣叶张力，确保瓣叶边缘与瓣环平面保持对齐，且不高于瓣环平面（图9B）。
   4. 将缝线置于PDS左心室孔道的最大张力位置，确保二尖瓣稳定而不引起移位（图10A、B）。

4. 初步测试（基线模型）

1. 将制备好的二尖瓣模型放入脉动流模拟器中进行基线血流动力学测试。将系统设置为儿童生理条件：心率为每分钟120次，心输出量为2.0 L/min。
2. 用生理盐水填充脉冲复制系统，确保整个回路无气泡，以保证压力和流量测量的准确性。
3. 在启动系统前对脉冲复制系统进行归零校准，以确保所有后续测量结果准确。
4. 启动系统，当达到目标每搏输出量后，点击采集以记录血流动力学测量数据。
5. 通过上方透明心房腔室进行超声心动图成像，评估二尖瓣功能，检测跨瓣压差和反流程度等参数，从而对瓣膜模型进行完整的功能评估（图10C）。

结果

基线血流动力学数据来自五名 离体 使用定制硅胶支架在脉动模拟系统中安装天然二尖瓣进行实验。模型在标准化的儿童生理条件下灌注（心输出量：2 L/min；心率：120 次/分钟），并通过压力传感器和超声心动图成像进行功能评估。

反流分数范围为15.9%至26.6%，平均为21.1% ± 5.3%。每搏输出量在不同样本间差异显著（平均值：42.8 mL；标准差：47.6 mL），其中一个瓣膜的输出量超过100 mL，符合解剖结构上功能良好的特征。峰值流速平均为154.4 mL/s（范围：135.8–190.8 mL/s），表明所有样本均具有有效的瓣膜射流功能。

二尖瓣跨瓣压差通过两种方法进行评估：直接压力测量和超声心动图检查。计算所得的压差范围为-1.95 mmHg至13.14 mmHg，而超声心动图导出的数值更为一致（平均值：6.14 mmHg；范围：5.15–8.13 mmHg）。值得注意的是，在五例中的三例中，由压力导出的压差接近零或为负值，可能反映了通过一个开放且阻力较低的瓣膜所致，或由于模拟器的静态组件引...

讨论

本研究的目的是建立一个能够模拟儿童血流动力学状态下的二尖瓣模型，这一目标指导我们选择羔羊心脏作为实验基础。选择羔羊心脏的原因在于其二尖瓣尺寸与儿科患者的二尖瓣尺寸非常相似。从解剖结构上看，与人类心脏相比，羔羊心脏沿其长轴方向更偏向腹侧倾斜，并具有一个完全由左心室构成的相对钝圆的心尖⁸。尽管成人人类的心脏重量与体重之比约为5 g/kg，而羔羊的该比值为3 g/kg，但这一差异并不会对二尖瓣血流动力学的评估造成显著限制。由于在解剖比例和功能动力学方面具有高度相似性，羔羊心脏成为在离体（ex vivo）环境下模拟和分析儿童二尖瓣状况的合适且可靠的模型。

准确测量二尖瓣的尺寸对于确保其在硅胶模具中的正确对位至关重要，特别是前后瓣叶长度、双连合间距以及对合区长度。这些测量值对于实现功能性且解剖结构具有代表性的瓣膜构型至关重要。本研究中所有样本均使用通过3D打印制备的内周长为30 mm的标准硅胶模具，以确保实验过程的一致性。

二尖瓣几何特征在成人中已被广泛研究，尤其是在修复...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
2-0 涂层编织聚酯缝线	Covidien	88863230-56	测试期间用于稳定乳头肌
3D 打印机	Ultimaker	Ultimaker S3	用于制作定制硅胶模具
5-0 单丝聚丙烯缝线，双针	Covidien	VPF-720-X	将瓣膜缝合至硅胶模具
DeBakey 无创镊	Aesculap	MB062R	解剖过程中组织操作
新鲜羔羊心脏	持证屠宰场	—	天然二尖瓣来源
Mayo 解剖剪	Aesculap	BC252B	常规心脏解剖
显微持针器	Aesculap	FM538R	缝合二尖瓣
Nelson-Metzenbaum 剪刀	Aesculap	BC606R	用于剪断缝线
脉动模拟系统	ViVitro Labs	18363	模拟生理血流以进行瓣膜测试
硅胶模具	—	定制制作	用于复制心室几何结构
无菌生理盐水（0.9%）	Elabscience	PB180353	灌注回路介质