БИОПРОТЕЗ КЛАПАНА АОРТЫ С БЕСШОВНОЙ ФИКСАЦИЕЙ

Полезная модель относится к медицине, а именно - к сердечно-сосудистой хирургии, и может быть использована для протезирования несостоятельных клапанов сердца.
На сегодняшний день проблема протезирования клапана аорты не имеет оптимального решения: существующие искусственные заменители - биопротезы - обладают рядом недостатков, прежде всего связанных с их конструкцией, которая определяет сложности при имплантации и функционировании, в частности, необходимость шовной фиксации. Внедрение в клиническую практику поколения бесшовно имплантируемых протезов позволяет существенно снизить инвазивность и длительность вмешательств на клапанах сердца за счет распирающих усилий, создаваемых опорным каркасом, для фиксации в просвете аорты.
Известен протез биологический протез клапана сердца (патент РФ 76565, кл. A61F 2/24, опубл. 27.09.2008 г.), состоящий из гибкого полимерного опорного каркаса переменной толщины, и створчатого аппарата, выполненного из биологического материала. Дополнительно в состав опорного каркаса включен проволочный компонент, который необходим для фиксации створок и демпфирования гидродинамического удара. Недостатком данного технического решения является использование полимеров (например, полипропилена) в качестве материала для опорного каркаса. Данный материал обладает малым модулем упругости и, следовательно, жесткостью, вследствие чего необходимо создавать опорный каркас большой толщины, чтобы обеспечить надежное поддержание его формы и предотвратить деформацию окружающими тканями. Также недостатком является необходимость шовной фиксации протеза в месте имплантации, что увеличивает длительность применения искусственного кровообращения и вентиляции легких, а также травматичность вмешательства.
Известен протез аортального клапана, монтированный на каркасе из суперэластичного материала (заявка на изобретение США №20100204781, кл. A61F 2/24, A61F 2/82, заявлено 21.08.2008, опубл. 12.08.2010). Данный протез предназначен для транскатетерной имплантации и имеет трехзонную структуру каркаса. Первые две зоны располагаются в фиброзном кольце и синотубулярном сочленении, соответственно; соединение данных участков между собой парами стержней, соответственно комиссуральным стержням аортального клапана, образуют третью зону. Расположение стержней средней зоны каркаса позволяет ориентировать клапан во время имплантации относительно комиссуральных стержней нативного клапана, а также осуществляет защиту устьев коронарных артерий от перекрытия. Фиксация данного протеза осуществляется за счет распирающих сил самого каркаса.
Недостатком данного технического решения является невозможность хирургических манипуляций в зоне имплантации. Транскатетерная технология установки протеза, с одной стороны, снижает инвазивность вмешательства, с другой - не позволяет хирургу иссечь несостоятельный створчатый аппарат и удалить конгломераты кальция, которые могут существенно исказить геометрию имплантированного изделия.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является биопротез клапана аорты (патент США 7101396, кл. A61F 2/24, опубл. 01.04.2005 г.), представляющий собой металлический опорный каркас из металла с памятью формы, на который монтируют створчатый аппарат биологического происхождения и манжету. Протез предназначен для бесшовной имплантации открытым хирургическим способом. Во время операции, после стандартного доступа к клапану аорты и удаления нативного измененного створчатого аппарата и кальцинатов, хирург сжимает опорный каркас, уменьшая его диаметр, и позиционирует изделие относительно места имплантации. За счет свойств опорного каркаса, связанных с эффектом памяти формы, опорный каркас восстанавливает свою геометрию, обеспечивая распирающие усилия в просвете аорты.
Недостатком данного технического решения является «открытая» конфигурация ячейки в основании каркаса. Учитывая, что основание каркаса является основной зоной крепления данного биопротеза, использование «открытой» ячейки, не способной обеспечить высокие значения радиальных распирающих усилий, несет риск дислокаций клапана как дистальнее, так и проксимальнее зоны имплантации.
Другим недостатком является использование в качестве консерванта для биоматериала глутарового альдегида, который оказывает существенное влияние на структуру биоматериала. Доказано, что данный консервант повышает модуль упругости ксеноперикарда, ужесточая материал, по сравнению с параметрами нативной ткани и альтернативных способов консервации, например, эпоксисоединениями. Данное изменение физико-механических характеристик снижает длительность функционирования створчатого аппарата. Кроме того, учитывая высокую цитотоксичность глутарового альдегида и его высокий потенциал к кальцинированию, материал, обработанный по данной технологии, требует дополнительных методов модификации, например, термической или химической. Вследствие этого, процедура консервации существенно усложняется, а возможные нарушения и/или ошибки в процессе отмывки имплантата от консерванта могут провоцировать гибель клеток окружающих тканей в месте имплантации, эскалацию иммунного ответа и ускорение кальцификации створок, т.е. приводят к ускоренному износу изделия.
Также недостатком является использование в качестве материала опорного каркаса материала с памятью формы, который не способен противостоять высоким значениям деформации. Вследствие этого опорный каркас потенциально может накапливать необратимые изменения в критических узлах в процессе "сжатия-разжатия" во время имплантации и функционирования. Данные изменения могут привести к образованию микротрещин, снижающих циклостойкость данных узлов и безопасность изделия в целом.
Задачей, решаемой предложенной полезной моделью, является изготовление биологического протеза аортального клапана с хорошими гемодинамическими параметрами, обладающего биосовместимостью и высокой прочностью конструкции.
Техническим результатом полезной модели является длительная устойчивость протеза клапана сердца к работе в агрессивных условиях организма пациента со значительной амплитудой знакопеременных нагрузок. Необходимость функционирования устройства в условиях знакопеременных нагрузок, высоких значений артериального давления, иммунного ответа, процесса кальцификации предьявляет высокие требования к свойствам всех компонентов устройства - опорного каркаса и биоматериала.
Данный технический результат достигается за счет использования в качестве материала опорного каркаса сверхэластичного сплава никелида титана, обладающего высокой биосовместимостью и коррозионной стойкостью. Высокий запас прочности устройства в условиях длительных знакопеременных нагрузок, достигается за счет использования ромбовидных или шестигранных, или овальных, или треугольных ячеек в основании (приточной части) конструкции, равномерно распределяющих напряженно-деформированное состояние, а также материала со значительным запасом эластической деформации (до 7%). В свою очередь, биологический компонент, консервированный эпоксидными соединениями с иммобилизацией биологически активных веществ, обладает резистентностью к кальцификации, тромбообразованию и действию инфицирующих агентов, т.е. высокой сопротивляемостью к разрушению створчатого аппарата.
Конструктивно заявленный протез представляет собой металлический опорный каркас, с закрепленными на нем створчатым аппаратом, обшивкой и манжетой. Опорный каркас содержит приточную, среднюю и выводную зоны, а также от 3 до 6 комиссуральных стоек, которые соединены с ячейками приточной и выводной зон каркаса. Закрытые ромбовидные или шестигранные, или овальные или треугольные ячейки в основании (приточной части) каркаса равномерно распределяют поля напряжений и деформаций, возникающие в опорном каркасе в процессе установки и функционирования протеза, что предотвращает образование микротрещин и изломов, снижающих безопасность и срок эксплуатации изделия. Опорный каркас изготовлен из сверхэластичного сплава никелида титана, что способствует обратимому противостоянию высоким деформациям без перехода узлов конструкции в область пластических (необратимых) и/или критических деформаций. Створчатый аппарат протеза выполнен из перикардиальной ткани млекопитающих, консервированной эпоксидными соединениями и модифицированой ковалентно иммобилизованным нефракционированным или низкомолекулярным гепарином, или ковалентно иммобилизованным бисфосфоновым соединением, или иммобилизованным антибактериальным препаратом, что повышает устойчивость биологической компоненты - створчатого аппарата и обшивки - к воздействиям внутренней среды пациента.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 основные компоненты предлагаемого протеза, схематично;
на фиг. 2 опорный каркас предлагаемого устройства, изометрический вид;
на фиг. 3 опорный каркас, вид сбоку;
на фиг. 4 укрупненный вид стойки опорного каркаса и участок створчатого аппарата;
Заявленный протез, предназначенный для протезирования несостоятельного клапана аорты, состоит из ячеистого опорного самораскрывающегося каркаса 1, монтированного на нем створчатого аппарата 2, обшивки 3 и манжеты 4 (фиг. 1).
Опорный каркас 1 (фиг. 1-3) представляет собой цилиндрическую или коническую конструкцию, состоящую из ячеек закрытого 5а и открытого 5б типов, с шириной балки 0,1-1,0 мм, толщиной балки 0,1-1,0 мм, длиной балки 0,1-20 мм. Геометрия ячеек 5а может быть ромбовидной, овальной, треугольной, шестигранной или сочетанием описанных вариантов. Поперечное сечение балки может быть параллелограммным, круглым, эллипсоидным, треугольным, многоугольным или сочетанием описанных сечений. Опорный каркас 1 содержит от 3 до 6 опорных комиссуриальных стоек 6 шириной 5-20 мм для формирования жесткой опоры комиссур створчатого аппарата 2 (фиг. 1-3). Данные стойки 6 содержат уширения 7 дистального или центрального или проксимального частей стойки до 110-220% от толщины стойки 6. Кроме того, стойки 6 и уширения 7 стойки содержат отверстия 8 диаметром 0,05 - 2 мм для удобства подшивания створчатого аппарата 2 (фиг. 1-4). Дополнительно, уширения 7 имеют сквозные прорези 9 вдоль стойки 6 длиной от 1 до 10 мм и шириной от 1 до 15 мм для упрощения подшивания створчатого аппарата и формирования комиссур последнего. Стойки 6 соединены ячейками 5а - в приточной зоне 10 и ячейками 5б - в выводной зоне 11 (фиг. 3).
За счет такого сочетания элементов, в опорном каркасе можно выделить три зоны: приточная 10 - обеспечивающая фиксацию протеза в фиброзном кольце клапана аорты; средняя 12 - содержащая стойки и обеспечивающая фиксацию и поддержку створчатого аппарата; выводная 11 - обеспечивающая жесткую связку стоек центральной зоны. Высота опорного каркаса 1 составляет 15-25 мм, наружный диаметр 19-31 мм.
Материал, из которого изготовлен опорный каркас 1, обеспечивает самопроизвольное контролируемое увеличение его функционального размера и формы при имплантации, а также обеспечивает радиальное сжатие до малого диаметра без возникновения необратимых пластических деформаций в элементах конструкции. Данное требование может быть обеспечено за счет использования материалов со свойствами сверхэластичности. Примеры подходящих материалов для сверхэластичного опорного каркаса, включают, но не ограничиваются, сплавами медицинской нержавеющей стали, титана, тантала, сплавами платины, сплавами ниобия, кобальтовых сплавами или их комбинации, пластмассы или полимеры, термопластичные материалы, разрешенные для длительного применения в организме. Предпочтительными материалами являются сплавы из никеля и титана, имеющие свойства сверхупругости, широко известные как Нитинол или никелид титана.
Изготовление опорного каркаса 1 осуществляют методом лазерной резки трубы или листа материала толщиной 0,1-1,0 мм с последующим приданием конечной формы и диаметра. Для увеличения биосовместимости и удаления острых кромок, заусенцев и шлаков опорный каркас подвергают ультразвуковой и электрополировке по известным технологиям.
Створчатый аппарат 2 (фиг. 1) протеза представляет собой три створки из биологического или биосовместимого материала, монтированные на опорный каркас 1 и соединенные с облицовкой протеза 3. Фиксацию створчатого аппарата 2 к протезу осуществляют за счет отверстий 8 и уширений 7 стоек 6 опорного каркаса в соответствии с радиальной симметрией и обеспечением необходимой и достаточной зоны коаптации. Створчатый аппарат 2 может быть фиксирован к каркасу 1 и/или обшивке 3 с использованием швов, скобок, химического, теплового соединения, с использованием клея или комбинации описанных вариантов (фиг. 4). Функция створчатого аппарата 2 заключается в препятствовании обратному току крови через протез за счет создания надежного смыкания трех створок. Створчатый аппарат 2 (фиг. 1) изготавливают из синтетического материала, инженерных биологических тканей, в том числе, содержащих клеточный материал донора и/или реципиента, биологических створок нативных клапанов, перикарда или их комбинации. Происхождение перикарда включает, но не ограничивается крупным рогатым скотом, лошадьми, свиньями, овцами, тканями человека, или их комбинациями. Предложенный створчатый аппарат 2 протеза выполнен из перикардиальной ткани млекопитающих, в качестве консерванта ксеноперикарда используют ди- и полиэпоксисоединения.
Опорный каркас 1 протеза, по меньшей мере, частично покрыт облицовкой 3 (фиг. 1), которая может располагаться только в приточной 10, только в центральной 12, только в выводной 11 зонах протеза или комбинации данных зон, и соединена со створчатым аппаратом 2. Функция облицовки 3 заключается в препятствовании возникновению утечек крови в обход створчатого аппарата 2, а также контакта крови с материалом опорного каркаса 1. Для изготовления данного элемента может быть использован любой подходящий легкий, прочный, непроницаемый для текучей среды, биологически совместимый материал. Облицовка 3 может быть присоединена в любом подходящем порядке, и любыми подходящими средствами к каркасу и/или створчатому аппарату с использованием швов, скобок, химического, теплового соединения, с использованием клея или комбинации описанных вариантов по известным технологиям. Облицовка 3 может быть расположена на внешней и/или внутренней поверхности опорного каркаса 1 протеза. Облицовку 3 (фиг. 1) изготавливают из синтетического материала, инженерных биологических тканей, в том числе содержащих клеточный материал донора и/или реципиента, биологических створок нативных клапанов, перикарда или их комбинации. Происхождение перикарда включает, но не ограничивается крупным рогатым скотом, лошадьми, свиньями, овцами, тканями человека, или их комбинациями. В качестве консерванта ксеноперикарда используют ди- и полиэпоксисоединения. В качестве материалов небиологического происхождения могут быть использованы полимеры, например, политетрафторэтилен (PTFE), полиэстер, поликапролактон, Nylon, Dacron или тефлон и/или другие материалы.
В приточной зоне 10 на наружной поверхности опорного каркаса 1 зафиксирована уплотнительная манжета 4 (фиг. 1). Функция данной манжеты заключается в повышении силы трения, препятствующей сдвигу протеза под действием сил кровотока и обеспечении плотного контакта между протезом и стенкой корня аорты для снижения риска паравальвулярных утечек (в обход клапана). Манжета 4 зафиксирована непосредственно к опорному каркасу 1 и/или облицовке 3 заявленного протеза с использованием швов, скобок, химического, теплового соединения, с использованием клея или комбинации описанных вариантов. Данная манжета 4 может состоять из 1-3 слоев и представлять собой однородный элемент или сочетание различных материалов, а именно: ткани биологического происхождения, например, крупного рогатого скота, лошадей, свиней, овец, человека, в том числе и тканеинженерные, и синтетические материалы, например, трикотажные, тканые или нетканые материалы. Кроме того, могут быть использованы биодеградируемые материалы, такие как полилактид, сополимеры лактида и капролактона, и полилактидов. В качестве материалов небиологического происхождения могут быть использованы полимеры, например, политетрафторэтилен (PTFE), полиэстер, поликапролактон, Nylon, Dacron или тефлон и/или другие материалы.
Заявленный бесшовной протез клапана сердца используется для замены поврежденного или патологически измененного клапана аорты, например, в результате аортального стеноза. Протез предназначен для имплантации в ходе операции на открытом сердце. Конструкция заявленного протеза позволяет отказаться от использования швов при его установке и, таким образом, позволяет снизить длительность и инвазивность вмешательства в целом. После обеспечения стандартного открытого доступа к поврежденному клапану аорты и обеспечения искусственного кровообращения, хирург оценивает объем и степень вмешательства и подбирает необходимый типоразмер заявленного устройства. При необходимости хирург может удалить нативные створки клапана аорты и выполнить декальцификацию зоны имплантации. Кримпирование (сжатие) заявленного протеза проводят в холодном физиологическом растворе с температурой не более 15°С в течение не менее 1-5 минут с помощью стандартных хирургических инструментов, например зажимов и/или пинцетов. За счет данной процедуры конечный диаметр протеза уменьшается, что позволяет в дальнейшем ввести его в область имплантации. После позиционирования протеза напротив места имплантации, хирург освобождает протез из захвата зажима и/или пинцета, и протез под действием температуры тканей пациента приобретает исходную рабочую форму, размер и диаметр. Дополнительно, чтобы ускорить данный процесс, протез поливают теплым, не менее 28°С, но не более 37°С, физиологическим раствором, после чего проводят оценку функциональных характеристик протеза аналогичной для «классических» каркасных шовных протезов по известным методикам и завершают вмешательство по стандартному сценарию.
При сокращении левого желудочка в фазу систолы, в момент превышения давления желудочка над давлением в аорте, происходит открытие створок протеза и выброс крови. Далее, по мере расслабления левого желудочка и уменьшения давления в нем ниже давления в аорте, происходит запирание створок протеза и предотвращение обратного тока крови.