Сравнительный анализ овечьей и человеческой ткани аортального клапана для разработки биопротезов с использованием тестов релаксации и численного моделирования

Почему важны материалы для сердечных клапанов

Каждый раз, когда ваше сердце бьется, аортальный клапан открывается и закрывается, обеспечивая ток крови в нужном направлении. За жизнь этот клапан совершает миллиарды движений, и при его отказе людям часто требуется искусственная замена. Механические клапаны служат долго, но требуют пожизненного приема антикоагулянтов; более мягкие биологические клапаны ощущаются естественнее, но со временем изнашиваются. В этом исследовании поставлен практический вопрос: могут ли тщательно обработанные овечьи (ovine) аортальные клапаны вести себя похоже на человеческие — и даже лучше распространенных сегодня материалов — чтобы создать более долговечные и безопасные биопротезы сердечных клапанов?

В поисках лучшей замены

Современные биологические (биопростетические) клапаны часто делают из перикарда крупного рогатого скота, который со временем может становиться жестким и разрушаться. Авторы рассматривали альтернативу: использование собственно ткани аортального клапана овцы, обработанной химическими средствами для консервации и снижения иммунного ответа и кальцификации. Они сравнили эту обработанную овечью ткань с натуральными створками человеческого аортального клапана, сосредоточив внимание на том, как ткани растягиваются, релаксируют и выдерживают нагрузки, которые возникают в теле. Поскольку работа клапана сильно зависит от структуры и поведения коллагеновых волокон — тонких нитей, придающих створкам прочность и гибкость — крайне важно найти материал, чьи волокна ведут себя похоже на человеческие или лучше.

Испытания тканей клапана

Команда вырезала небольшие, точно сформированные образцы из наиболее прочного и однородного участка створок овечьего клапана, затем химически фиксировала их, имитируя процедуры, применяемые для коммерческих клапанов. Эти тонкие полоски растягивали в одном направлении до разрыва, записывая, какое усилие они выдерживают и насколько жесткими являются. У обработанной овечьей ткани модуль упругости (мера жесткости) был порядка 20 мегапаскалей, тогда как для человеческих образцов в литературе приводятся значения примерно от 6 до 28 мегапаскалей. Овечья ткань оказалась несколько менее жесткой, но более растяжимой при разрыве по сравнению с человеческой — преимущество для современных малоинвазивных клапанов, которые должны сильно сжиматься для доставки в катетере и затем расширяться в сердце без разрывов.

Как клапаны смягчаются при постоянной нагрузке

Клапаны не являются жесткими пружинами; они вискозоупругие, то есть при растяжении со временем релаксируют и перераспределяют напряжение. Чтобы учесть это зависимое от времени поведение, исследователи провели тесты релаксации напряжения: быстро растягивали каждый образец до заданной доли разрывной деформации идерживали в таком состоянии в течение пяти минут, наблюдая за тем, как уменьшается внутреннее напряжение. Человеческие створки теряли около 21% начального напряжения за 300 секунд, в то время как обработанная овечья ткань — около 41%, что указывает на то, что овечьи клапаны более вискозоупруги и лучше гасят удары и распределяют нагрузку со временем. Используя стандартную математическую схему, называемую квазилинейной вискозоупругостью, они подогнали подробную модель под эти данные, выделив параметры, описывающие как мгновенную упругую реакцию, так и более медленные фазы релаксации.

Моделирование бьющегося сердца

Чтобы понять, что означают эти различия в работающем сердце, команда построила трехмерную компьютерную модель аортального клапана в распространенной инженерной программе и задала ей свойства либо человеческой, либо обработанной овечьей ткани. Затем они применили реалистичные волны давления из левого желудочка и аорты и проследили, как виртуальный клапан открывается и закрывается в ходе сердечного цикла. В пике открытия (систола) максимальное напряжение в створках обработанного овечьего клапана составляло около 0,36 мегапаскаля, примерно вдвое меньше 0,72 мегапаскаля, найденных в модели с человеческой тканью. Во время закрытия (диастолы) рисунки напряжений и деформаций смещались от края крепления к центральной «брюшной» части створок, что соответствует клиническим наблюдениям мест, где клапаны склонны к деградации. В целом модель овечьего клапана показала более низкие или более благоприятно распределенные напряжения по сравнению с человеческой тканью и более низкие напряжения, чем перикард коровы, описанный в предыдущих работах.

Что это значит для будущих сердечных клапанов

Проще говоря, исследование показывает, что тщательно обработанная овечья аортальная ткань изгибается и релаксирует похожим на человеческий образом, но может испытывать более низкие пиковые напряжения и обладать большей гибкостью. Эти характеристики перспективны для создания биопротезов клапанов, которые лучше выдерживают постоянное открывание и закрывание в сердце, особенно в катетерных имплантатах, подвергающихся интенсивному сжатию и расширению. Хотя требуются более сложные испытания — включая многопроекционное растяжение, длительные исследования усталости и полные гидродинамико-структурные симуляции — эта работа указывает на овечью аортальную ткань как на сильного кандидата для следующего поколения более мягких и долговечных заменителей сердечных клапанов.

Цитирование: Masoumi, S.F., Rassoli, A., Changizi, S. et al. Comparative analysis of ovine and human aortic valve tissue for bioprosthetic valve development using relaxation tests and numerical simulation. Sci Rep 16, 7315 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35729-6

Ключевые слова: аортальный клапан, биопротезы клапанов, ткань сердца овцы, вискозоупругость, метод конечных элементов