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    鎳鈦合金在心臟瓣膜領域的應用

    2022-11-22

        1963年,美國海軍軍械研究室偶然間發現等原子比鎳鈦合金在室溫形變狀態與點燃的香煙頭接觸后自動彈直,將這一現象命名為形狀記憶,并稱此合金為NiTiNOL(Nickel Titanium Navy Ordnance Laboratory),即鎳鈦合金。鎳鈦合金作為典型的形狀記憶合金,在過去的 50 多年里,因其超彈性、形狀記憶性、高阻尼性、耐腐蝕性、射線不透過性、MRI兼容性以及良好的生物相容性等優點,獲得了廣泛地研究和應用[1]。

        鎳鈦合金包含隨溫度可逆轉變的兩種晶體狀態和應力誘導相變特性[2],形狀記憶是熱相變的結果,超彈性是應力誘導相變的結果。圖1為鎳鈦合金材料應力應變曲線圖[3]。當對鎳鈦合金施加應力時,在一個適度的彈性變形后,材料發生應力誘導馬氏體相變;當應力被消除后,馬氏體逆轉變為奧氏體。實際上,當超彈性鎳鈦合金被冷卻到一個臨界溫度以下,它也會改變其晶體結構。因此,鎳鈦合金可以在“低溫相”(馬氏體相)中進行塑性變形,再加熱至轉化溫度以上,可以恢復其原來的形狀。

    圖1 鎳鈦合金材料應力應變曲線

        鎳鈦合金自問世以來廣泛應用于各類植、介入醫療器械,成為醫療器械領域最炙手可熱的材料之一。在結構性心臟病領域,這種材料能夠兼顧瓣架壓縮尺寸及展開后特殊三維構型的應用場景,相比于其他材料,鎳鈦合金瓣架的應用范圍和迭代速率更占優勢。

    經導管瓣膜置換術(包括TAVR等),是經股動脈(或其他通路)送入介入導管,將人工心臟瓣膜輸送至目標位置,從而完成人工瓣膜置換,恢復瓣膜功能。手術無需開胸,創傷小、術后恢復快,是心臟瓣膜領域中的一項革命性新技術。

        心臟瓣膜支架以兩種支架形式為主[4-8],一種是球囊擴張支架,一種是自膨脹支架,二者區別詳見表1。相較于球囊擴張支架,鎳鈦合金自膨脹支架因其相變特性,在大變形后,具有不易發生彈性恢復、對管腔損傷小等優勢,成為心臟瓣膜領域支架材料的主流選擇之一。自膨脹支架擴張形式見動圖2。

    表1 球囊擴張支架與自膨脹支架的區別

    圖2 自膨脹支架擴張圖

        利用自膨脹支架鎳鈦合金的特性,TAVR手術準備過程中通常會用冰水預處理瓣膜支架,即讓支架冷卻到點(奧氏體向馬氏體轉變結束溫度)以下,可以較容易地將支架壓握在極小尺寸的輸送系統中,輸送系統進入人體后,溫度超過點(馬氏體向奧氏體轉變結束溫度),鎳鈦合金支架表現出較強的徑向支撐力。如圖3所示,利用差示掃描量熱儀記錄鎳鈦合金支架隨溫度相轉變的過程,可以準確測量鎳鈦合金支架的點和點,輔助瓣膜支架的體外裝載和體內釋放。

    圖3鎳鈦合金支架材料DSC曲線

        圖4為鎳鈦合金支架壓握和釋放過程的動態圖,可以對該過程進行較為直觀的演示。將鎳鈦合金支架在冰水中壓握至極小尺寸,再放入接近人體溫度的溫水中,支架瞬間自膨脹成原始形狀[9]。

    圖4 鎳鈦合金支架壓握和釋放過程

        近年來國內外仍然在利用鎳鈦合金進行心臟瓣膜支架的創新研究,并不斷實現轉化應用。Testa等[10]介紹了二尖瓣置換領域目前的進展和現有上市產品,基本都利用了鎳鈦合金材料的特性將其作為支架主體材料。Ning等[11]針對一款結構特異的經導管鎳鈦瓣膜進行動物試驗,結果顯示隨訪4周時,平均跨瓣壓差為1.1±0.9 mmHg,未觀察到流出道梗阻、瓣膜移位、心包積液、冠狀動脈壓迫或心律失常,該款瓣膜具有優良的生物假體功能和穩定的血流動力學。Lutter等[12]通過動物實驗評估鎳鈦支架配合聚碳酸酯人工瓣膜置換,半年期隨訪顯示支架位置穩定,并且植入后血流動力學和生物相容性均滿足預期。

        世界范圍已批準的心臟瓣膜,除少數球擴瓣外,多以鎳鈦合金自膨式支架為瓣膜主體。國內已上市產品中,除了愛德華的SAPIEN 3,其余獲得NMPA批準的TAVR瓣膜支架部分均屬于鎳鈦合金自膨脹支架。

    圖5 錨定件體內回收的DSA視頻

        翰凌醫療將鎳鈦合金應用到經導管主動脈瓣膜系統Hanchor valve中,研發出可完全回收的錨定件,錨定件體內回收過程見圖5,其與瓣膜主題對自體瓣葉的夾持可以充分防止瓣膜移位和瓣周漏,FIM臨床試驗結果證明Hanchor valve在主動脈瓣膜單純反流治療領域有著良好的治療效果及廣闊的應用前景。未來,翰凌醫療持續秉承母公司“創新服務健康,品質鑄就非凡”的發展理念,深耕結構性心臟病治療領域,在不久的將來,會為更多的心臟瓣膜疾病患者帶來健康和福音。

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    參考文獻

    [1] Garí Crespí, Carles, New Nickel-Titanium alloys for biomedical applications[D]. &nbsp;Universitat de Barcelona, Barcelona, 14th June 2021.

    [2] Swadhin Kumar Patel, Biswajit Swain, Rakesh Roshan , Niroj K.Sahu, A.Behera, A brief review of shape memory effects and fabrication processes of NiTi shape memory alloys[J]. Materials today Proceedings, 2020;33:5552-5556.

    [3] Zifan Wang, Joris Everaerts, Enrico Salvati, Alexander M. Korsunsky, Evolution of thermal and mechanical properties of nitinol wire as a function of ageing

    treatment conditions[J]. Journal of Alloys and Compounds. 2020;819:153024.

    [4] Chen Pan, Yafeng Han, and Jiping Lu, Structural design of vascular stents: A review[J]. Micromachines, 2021;12:770:1-26.

    [5] Mohamed Abdel-Wahab, Martin Landt, Franz-Josef Neumann, Steffen Massberg, et al. 5-Year Outcomes After TAVR With Balloon-Expandable Versus Self-Expanding Valves[J]. JACC: CARDIOVASCULAR INTERVENTIONS. 2020;13(9):1071- 1082.

    [6] Piotr Nikodem Rudziński, Markus Mach, Christoph Gross, Marco Russo, et al. Current Prostheses for Transcatheter Heart Valve Replacement: A Technical and Clinical Review[J]. Rev. Cardiovasc. Med. 2022?23(8):257.

    [7] Philippe Pibarot. The CHOICE Between Self-Expanding and Balloon- Expandable Valves for Transcatheter Aortic Valve Replacement[J]. JACC: CARDIOVASCULAR INTERVENTIONS.2018;11(24):2519-2522.

    [8] Costa G, Zappulla P, Barbanti M, et al. Pacemaker dependency after transcatheter aortic valve implantation: incidence, predictors and long-term outcomes[J]. EuroIntervention [Internet]. 2019;15:875–883.

    [9] Zaiping Jing, Huajuan Mao, Weihui Dai, Cardiac Aortic Valved Stent[M]. Endovascular Surgery and Devices, Shanghai, 2018.

    [10] Luca Testa, Antonio Popolo Rubbio, Matteo Casenghi, Gaetano Pero, Azeem Latib and Francesco Bedogni. Transcatheter Mitral Valve Replacement in the Transcatheter Aortic Valve Replacement Era[J]. Journal of the American Heart Association. 2019:8:e013352.

    [11] XiaoPing Ning, JingYi&nbsp;Cao, MengXing Li, He Wang, Ning Li, et al. Transjugular Transcatheter Tricuspid Valve Implantation of LuX?Valve Bioprosthesis in a Preclinical Model[J]. Journal of Cardiovascular Translational Research. 2022 Sep 23.

    [12] Georg Lutter, Ayca Topal, Jan Hinnerk Hansen, Assad Haney, et al. Transcatheter pulmonary valve replacement: a new polycarbonate urethane valve[J]. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 2021;59:1048-1056.



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