研究人员模拟人类心脏，发现潜在新设计以防止瓣膜失效，改善患者预后
研究人员发现，对于需要更换机械心脏瓣膜的患者而言，最危险的问题之一是主动脉反流——这是一种位于左心室下部与人体主血管之间的心脏瓣膜无法紧密闭合的情况。
主动脉反流可导致昏厥、感染、心律不齐、心力衰竭甚至死亡。德州农工大学(Texas A&M)机械工程系的研究人员正在探究机械瓣膜为何关闭过晚，以及更智能的设计如何使其表现更接近人类心脏。
"机械瓣膜并不完美，"主要研究者、伊曼·博拉扎尼(Iman Borazjani)博士教授表示。"它们也会产生某种类型的反流。生物假体瓣膜相当好——它们几乎没有或只有极小的反流。而机械瓣膜则有较大的反流体积。我们希望了解为什么会这样，以及瓣膜关闭的方式是否与此有关。"
目前使用最广泛的人工心脏瓣膜是双叶瓣阀，其设计由两个碳质瓣叶组成，安装在被织物覆盖的环形结构中。这种设计因其高耐用性和不可生物降解性而被采用。
然而，双叶瓣阀设计面临的一个主要问题是其高风险的主动脉反流。为此，多家公司一直在开发能更精确模拟人类心脏自然运动的新型瓣膜模型。
"诺沃斯蒂亚(Novostia)是一家开发新型三叶机械瓣膜的公司，他们联系我们，询问我们是否能够模拟他们的设计——告诉他们血流情况如何，剪切应力是多少，以及对血细胞的作用力是多少，"博拉扎尼说道。"这就是这个项目开始的方式。"
博拉扎尼和他的团队测试了诺沃斯蒂亚的三叶装置在开闭方式上与双叶瓣阀的差异。与双叶瓣阀设计不同，诺沃斯蒂亚开发的模型具有三个柔性的瓣叶，能更精确地模拟人类心脏瓣膜的自然运动。研究人员还将双叶瓣阀设计与生物假体瓣膜进行了比较，后者由生物组织制成，用作自然瓣膜行为的参考。
为了比较血流情况，博拉扎尼的团队使用3D计算机模拟来模拟不同模型中的流体-结构相互作用。通过比较流速、压力和回流，该团队能够更好地理解为什么双叶瓣阀往往比三叶瓣阀或假体瓣阀关闭得更晚。
"三叶瓣阀的设计类似于生物假体或自然瓣膜，它们向中心闭合，"博拉扎尼说。"而双叶瓣阀则是通过向主动脉壁旋转来闭合——当它们想要闭合时，它们会朝相反方向移动。"
研究发现，瓣膜运动的差异在闭合时机上起着重要作用。
"我们发现，当仍有前向血流但血流正在减速时，三叶瓣阀和生物假体瓣膜开始闭合的时间远早于双叶瓣阀，"博拉扎尼说。"双叶瓣阀直到出现反向血流时才闭合。"
除了瓣膜的闭合机制外，博拉扎尼的团队还研究了血液在流经每种模型时的行为。具体来说，他们分析了剪切应力——血液对周围表面和细胞施加的机械应力——对心脏瓣膜的影响。
"如果你有高的血流剪切应力，它们可以激活血小板。血小板会相互粘合，从而引发凝血级联反应，"博拉扎尼说。
通过研究剪切应力，该团队旨在了解哪些瓣膜设计能减少血栓形成，这是机械瓣膜中的一个持久问题，通常要求患者终身服用抗凝血药物。
"三叶瓣阀的剪切应力以及由此引起的血小板激活比双叶瓣阀要小，"博拉扎尼说。"……双叶瓣阀会引发更多的激活，但它们也有比三叶瓣阀或生物假体更好的冲洗效果。这是我们从模拟中看到的另一个我们未曾预料到的方面。我们正在基于这些新结果准备一篇论文。"
展望未来，该团队计划扩大研究范围，包括经导管瓣膜和将材料与血流效应相结合的高级模拟。
根据博拉扎尼的说法，通过这些项目，他们的目标是更准确地预测血栓形成和血流性能，并最终帮助工程师设计更高效的心脏瓣膜。
"我们正在尝试构建一个同时结合材料和血流的凝血模型，"博拉扎尼说。"这将帮助我们更好地预测凝血情况并指导未来的瓣膜设计。"
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