心脏瓣膜表面微纳结构及其在瓣膜血流动力学特性中所起作用的研究

The preliminary study by the applicant found that the endothelial surface of the natural heart valve had a micro-nano hierarchical structure that formed grooves, of which the direction was parallel to the direction of blood flow. The applicant hypothesizes that the excellent hemodynamic performance of the natural heart valve might be attributed to this micro-nano structure: It could prevent the laminar boundary layer on the valve surface from destruction, inhibiting vortex/turbulence formation, in turn suppressing platelet activation and hemolysis. In order to verify this hypothesis, the applicant designed 4 studies: 1) Characterization and modeling of the micro-nano structure of the natural heart valve endothelial surface; 2) Preparation of the surface with micro-nano structure mimicking the surface structure of the natural heart valve; 3) Comparative study on the hemodynamic performances of the surfaces with different micro-nano structures by using particle image velocimetry (PIV) and computational fluid dynamics; 4) Numerical and experimental studies on the surfaces with different micro-nano structures in terms of platelet activation and hemolysis. If the aforementioned hypothesis is verified to be true, we may pioneer new ways to design mechanical heart valves to improve their hemodynamic performance by mimicking the surface micro-nano hierarchical structure of the natural heart valve.

申请人前期研究发现，天然心瓣内皮细胞层表面存在微纳复合结构，且这些微纳复合结构所形成的沟槽方向与血流方向平行。申请人推测，天然心瓣的良好血流动力学特性可能与这些微纳复合结构有关：它们可使瓣膜表面的层流边界层免受破坏、抑制涡旋/湍流的产生，从而具有抑制血小板激活和抑制溶血的功能。为此，本项目设计了4个方面的研究内容来验证这一科学推测（hypothesis）：1）天然心瓣内皮细胞表面微纳结构的表征与建模；2）仿天然心瓣微纳结构表面的制备；3) 用PIV（粒子图像测速法）和计算机数值模拟的方法对比研究不同微结构表面对血流流场的影响；4)对比研究不同微结构表面对血小板激活以及溶血的影响。如果上述推测能够得到证实，我们便可以从在人工心瓣表面用物理的方法制备类似的微纳结构着手，来改善机械心瓣的血流动力学性能，这将是一个全新的研究思路。

针对机械瓣膜植入人体后容易引起血栓这一多年来一直困扰心脏瓣膜置换术的技术难题，依据仿生原理，构建天然瓣膜表面微结构模型，并通过激光加工等复合制备技术，在机械瓣膜表面制备微纳复合结构，继而对其减阻性、血液相容性等特性进行研究。主要研究内容包括以下几个方面：.1. 天然心脏瓣膜表面微纳结构的表征与建模：利用扫描电镜，对心脏瓣膜内皮细胞表面的微纳结构进行定量表征，以此为基础，设计并衍生出矩形、梯形、半圆形、锯齿形、反向锯齿形和三角形等六种心脏瓣膜内皮细胞表面微纳结构模型。.2. 仿生心脏瓣膜微纳结构表面制备：利用激光微纳加工技术以及激光+热处理等复合加工技术在机械瓣膜材料表面实现微观尺度的多重结构的仿心脏瓣膜微纳结构表面的制备。研究激光功率、扫描间距、热处理温度、热处理时间等工艺参数对微结构形貌及其性能的影响，寻求出不同加工方法下最优制备参数组合及参数对微结构形貌及其性能的影响规律与机理。.3. 仿生心脏瓣膜微纳结构表面对血流流场影响的数值模拟。利用PIV技术在心脏瓣膜（主动脉瓣）流动参数下，观测不同微结构表面对血流流场的影响，寻求出表面微结构及其方向对血流流场的影响规律。.4. 体外构建流动系统研究仿生心脏瓣膜表面微纳结构对对血小板激活以及溶血的影响。通过全血凝固实验、血小板粘附实验、溶血率等试验，对前期制备的微结构表面进行血液相容性的试验研究，寻求表面微结构形貌与参数对其机械性能、血液相容性的影响规律。.本项目从改善机械瓣膜的机械性能、提高其血液相容性入手，取得了一批有价值的数据和研究成果，为机械瓣膜抗血栓研究提供新思路，研究成果对机械瓣膜的表面改性具有指导意义，且具有潜在的临床应用前景。.目前完成了计划的研究内容，达到了预期的研究目标，发表/录用学术论文11篇（其中SCI收录7篇、EI收录1篇）；申请发明专利10件，其中授权5件，公开5件；培养已毕业硕士研究生5人，在读硕士研究生2人。