仿生各向异性高分子人工瓣膜制备及性能研究

来源：中国科学材料

主动脉瓣小叶的分层结构（纤维状，海绵状和心室状）组成使得人体心脏瓣膜表现出典型的力学各向异性特征，从而能够承受长期的开合循环负荷。患有严重瓣膜疾病的患者需要通过机械或人工生物心脏瓣膜来进行假体更换。近年来，研究人员开发了具有特定微结构的聚合物复合材料以模仿天然心脏瓣膜的分层结构和各向异性。然而，目前的研究主要集中在各向异性聚合物支架的机械性能上，关于各向异性聚合物心脏瓣膜在心动周期中对流体力学特性和应力-应变分布的影响仍然知之甚少。

近日，中国科学院金属研究所张兴教授和东北大学牛盾副教授等人在Science China Materials上发表研究论文，采用静电纺丝法分别制备了具有各向异性（anisotropic silk fibroin，ASF）和各向同性（isotropic silk fibroin，ISF）的丝素蛋白纤维膜，并进一步与聚乙二醇二丙烯酸酯（poly(ethylene glycol) diacrylate，PEGDA）水凝胶结合，作为人工高分子瓣膜材料（PEGDA-ASF和PEGDA-ISF）。有限元分析结果表明PEGDA-ASF瓣膜在心脏舒张期的最大主应力值（2.20 MPa）低于PEGDA-ISF瓣膜（2.37 MPa）。与人体瓣膜相似，收缩期时PEGDA-ASF瓣膜在瓣叶根部附近会产生一个弯折区域，而PEGDA-ISF瓣膜的弯折区却接近瓣叶的自由边缘。此外，PEGDA-ASF瓣膜在打开过程中，能够通过动态调整弯折区域获得较为平滑的表面形貌。因此，人工高分子瓣膜的各向异性特征对于实现其与人体瓣膜相似的力学和流体动力学行为起着至关重要的作用。

该研究成果最近发表于Science China Materials, 2019, doi: 10.1007/s40843-019-1217-4。