Оптимизация биологического створчатого аппарата протеза клапана сердца

Е. А. Овчаренко; П. С. Онищенко; К. Ю. Клышников

Статья

Оптимизация биологического створчатого аппарата протеза клапана сердца

Е. А. Овчаренко,

П. С. Онищенко,

К. Ю. Клышников

2022

https://doi.org/10.17802/2306-1278-2022-11-2-39-48

Основные положения. С использованием алгоритмов численной оптимизации возможно качественно улучшить характер работы (смыкания) створчатого аппарата протеза клапана сердца. Изменение длины свободного края створки протеза не уменьшает амплитуду напряжения по Мизесу и не меняет характер его распределения на эпюрах.Цель. Численное исследование напряженно-деформированного состояния протеза клапана сердца с позиции воздействия физиологических нагрузок и определение путей оптимизации геометрии биологического створчатого аппарата.Материалы и методы. Объектом исследования стали трехмерная модель протеза клапана сердца «ЮниЛайн» (ЗАО «НеоКор», Россия) типоразмера 23 мм, а также четыре модификации, ориентированные на изменение длины свободного края. Исследование проводили с использованием метода конечных элементов с имитацией полного цикла работы створчатого аппарата в условиях физиологического режима (давления, частоты сердечных сокращений). Параметрами для анализа выступили качественно-количественные характеристики напряженно-деформированного состояния работы пяти исследуемых геометрий.Результаты. Показано, что области высокого напряжение сконцентрированы в двух зонах – периферической и свободного края, независимо от геометрии. Однако количественно амплитуды напряжения по Мизесу различались между исследованными моделями. Так, форма створки, условно обозначенная как –10 °, продемонстрировала наименьшую амплитуду данного показателя относительно исходной, немодифицированной, модели створок, снизив таким образом максимум на 18,8%. Однако для закрытого состояния данная модель, напротив, показала рост показателя напряжения относительно исходного на 8,3%. У других вариантов модификаций определены схожие тенденции.Заключение. Несмотря на исходную предпосылку оптимизации створчатого аппарата – уменьшение длины свободного края и исключение деформаций закрытого состояния, предложенные варианты геометрии существенно не изменили карту распределения напряжений в материале, а также не позволили значимо снизить амплитуды данного параметра. Предположительно, более перспективными могут стать варианты модификации геометрии и/или свойств (жесткости, подвижности) другого немаловажного компонента биопротеза – опорного каркаса, который помимо несущей функции обеспечивает демпфирование гидродинамического удара на створку за счет некоторой подвижности.

Овчаренко Е. А., Онищенко П. С., Клышников К. Ю. Оптимизация биологического створчатого аппарата протеза клапана сердца. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2022;11(2):39-48. https://doi.org/10.17802/2306-1278-2022-11-2-39-48

Цитирование

Список литературы

1. Бокерия Л.А., Милиевская Е.Б., Кудзоева З.Ф., Прянишников В.В., Скопин А.И., Юрлов И.А. Сердечно-сосудистая хирургия – 2018. Болезни и врожденные аномалии системы кровообращения. Москва: ФГБУ «НМИЦССХ им. А.Н. Бакулева» МЗ РФ. 2019; 270 стр.

2. Li K.Y.C. Bioprosthetic Heart Valves: Upgrading a 50- Year Old Technology. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 2019; 6: 47

3. Л.С. Барбараш, Н.В. Рогулина, Н.В. Рутковская, Ю.Н. Одаренко, С.Г. Кокорин. Опыт применения эпоксиобработанных биологических протезов при пороке митрального клапана у пациентов моложе 65 лет. Грудная и сердечно-сосудистая хирургия. 2019; 61 (2): 114-122. DOI: 10.24022/0236-2791-2019-61-2-114-122

4. Koziarz A., Makhdoum A., Butany J., Ouzounian M., Chung J. Modes of bioprosthetic valve failure: a narrative review. Current Opinion in Cardiology. 2020; 35 (2): 123–132

5. Manji R.A., Lee W., Cooper D.K.C. Xenograft bioprosthetic heart valves: Past, present and future. International Journal of Surgery. 2015; (23): 280–284

6. Li R.L., Russ J., Paschalides C., Ferrari G., Waisman H., Kysar J.W., Kalfa D. Mechanical considerations for polymeric heart valve development: Biomechanics, materials, design and manufacturing. Biomaterials. 2019; 225: 119493

7. Барбараш Л.С., Рогулина Н.В., Рутковская Н.В., Овчаренко Е.А. Механизмы развития дисфункций биологических протезов клапанов сердца. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2018;7(2):10-24. https://doi.org/10.17802/2306-1278-2018-7-2-10-24

8. Rodriguez-Gabella T., Voisine P., Puri R., Pibarot P., Rodés-Cabau J. Aortic Bioprosthetic Valve Durability. Journal of the American College of Cardiology. 2017; 70 (8): 1013– 1028

9. Flameng W., Hermans H., Verbeken E., Meuris B. A randomized assessment of an advanced tissue preservation technology in the juvenile sheep model. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 2015; 149 (1): 340–345

10. Boccafoschi F., Botta M., Fusaro L., Copes F., Ramella M., Cannas M. Decellularized biological matrices: an interesting approach for cardiovascular tissue repair and regeneration. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 2017; 11 (5): 1648–1657

11. Perota A., Lagutina I., Duchi R., Zanfrini E., Lazzari G., Judor J.P., Conchon S., Bach J.M., Bottio T., Gerosa G., Costa C., Galiñanes M., Roussel J.C., Padler‐Karavani V., Cozzi E., Soulillou J.P., Galli C. Generation of cattle knockout for galactose‐α1,3‐galactose and N‐glycolylneuraminic acid antigens. Xenotransplantation. 2019; 26 (5): e12524

12. Marro M., Kossar A.P., Xue Y., Frasca A., Levy R.J., Ferrari G. Noncalcific Mechanisms of Bioprosthetic Structural Valve Degeneration. Journal of the American Heart Association. 2021; 10 (3)

13. Oveissi F., Naficy S., Lee A., Winlaw D.S., Dehghani F. Materials and manufacturing perspectives in engineering heart valves: a review. Materials Today Bio. 2020; 5: 100038

14. Martin C., Sun W. Comparison of transcatheter aortic valve and surgical bioprosthetic valve durability: A fatigue simulation study. Journal of Biomechanics. 2015; 48 (12): 3026–3034

15. Martin C., Sun W. Simulation of long-term fatigue damage in bioprosthetic heart valves: effects of leaflet and stent elastic properties. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 2014; 13 (4): 759–770

16. Dordoni E., Petrini L., Wu W., Migliavacca F., Dubini G., Pennati G. Computational Modeling to Predict Fatigue Behavior of NiTi Stents: What Do We Need? Journal of Functional Biomaterials. 2015; 6 (2): 299–317

17. Krivokapic B., Blagojevic Z., Selesi D., Atanackovic T., Pilipovic S., Bascarevic Z., Stevanovic V. A Method for Prediction of Femoral Component of Hip Prosthesis Durability due to Aseptic Loosening by Using Coffin/Manson Fatigue Model. BioMed Research International. 2018; 2018: 1–13

18. Travaglino S., Murdock K., Tran A., Martin C., Liang L., Wang Y., Sun W. Computational Optimization Study of Transcatheter Aortic Valve Leaflet Design Using Porcine and Bovine Leaflets. Journal of Biomechanical Engineering. 2020; 142 (1): 011007

19. Овчаренко Е.А., Клышников К.Ю., Глушкова Т.В., Бураго А.Ю., Журавлева И.Ю. Нелинейная изотропная модель материала корня аорты человека. Технологии живых систем 2014; 6: 43-47

20. Martin C., Sun W. Simulation of long-term fatigue damage in bioprosthetic heart valves: effects of leaflet and stent elastic properties. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 2014; 13 (4): 759–770

21. Rassoli A., Fatouraee N., Guidoin R., Zhang Z. Comparison of tensile properties of xenopericardium from three animal species and finite element analysis for bioprosthetic heart valve tissue. Artificial Organs. 2020; 44 (3): 278–287

22. Stanová V., Godio Raboutet Y., Barragan P., Thollon L., Pibarot P., Rieu R. Leaflet stress quantification of porcine vs bovine surgical bioprostheses: an in vitro study. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 2021; (5): 1–12

23. Martin C., Sun W. Comparison of transcatheter aortic valve and surgical bioprosthetic valve durability: A fatigue simulation study. Journal of Biomechanics. 2015; 48 (12): 3026–3034

24. Rotman O.M., Kovarovic B., Chiu W.-C., Bianchi M., Marom G., Slepian M.J., Bluestein D. Novel Polymeric Valve for Transcatheter Aortic Valve Replacement Applications: In Vitro Hemodynamic Study. Annals of Biomedical Engineering. 2019; 47 (1): 113–125

Документы

Информация

Автор

Е. А. Овчаренко Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний»
П. С. Онищенко Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний»
К. Ю. Клышников Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний»

Название журнала

Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний

Ключевые слова

Статья