《SCIENCE ADVANCES》：Design and preclinical feasibility of a pediatric heart valve stent that spontaneously adapts to growth via a spring mechanism
编辑推荐：
为解决婴儿和幼儿因缺乏可生长的瓣膜假体而需多次手术的问题，研究人员开展了一项名为LEAP Valve的研究，设计了一种基于镍钛诺超弹性的、可自主适应生长的儿科心脏瓣膜支架。在猪仔模型中的研究证实，该支架植入后能约束在小直径（8-9毫米），并在6周内随生长比例性扩张至13毫米，无需后续干预。这项研究为解决儿童先天性心脏病瓣膜缺损的临床需求提供了新思路。
每年，全球有超过一百万新生儿被诊断患有先天性心脏病，其中近三分之一的病例涉及心脏瓣膜缺损。对于这些襁褓中的患儿而言，心脏瓣膜的修复或置换是关乎生存的关键手术。然而，一个残酷的现实是，市面上现有的瓣膜假体大多为成人设计，尺寸庞大（直径通常在18至36毫米），最小的商业瓣膜直径也有15毫米。婴儿和幼儿的心脏瓣膜出生时直径仅有7至10毫米，并在5到6岁时增长近一倍。这意味着，一个在2岁前接受了第一次瓣膜置换手术的孩子，在成年之前可能不得不面临多达五次的开胸手术，以更换那些因孩子长大而“不合身”或因损坏而失效的瓣膜。反复的手术不仅带来巨大的生理创伤和感染风险，也给家庭和社会带来沉重的负担。因此，开发一种能够伴随患儿共同“成长”的瓣膜，成为儿科心脏病学领域亟待攻克的“圣杯”。
近期，发表在《SCIENCE ADVANCES》上的一项研究，为这个难题带来了突破性的解决方案。来自国外研究团队的研究人员设计并验证了一种名为“低力扩张/适应性儿科瓣膜”（Low-force Expanding/Adaptable Pediatric Valve， LEAP Valve）的新型装置。其核心创新在于一个能够像弹簧一样，随周围组织生长而自主、非侵入性扩张的支架，旨在为体重低于20公斤（通常小于4-6岁）、瓣膜直径小于15毫米的婴幼儿患者提供瓣膜置换选项。
为了开展这项研究，研究人员综合运用了多种关键技术方法。首先，他们利用有限元分析（Finite Element Analysis， FEA）软件对支架设计进行模拟和优化，确保其在目标直径范围内（7至14毫米）的力学性能。其次，他们采用飞秒激光切割技术制造镍钛诺支架原型，并进行了严格的径向力测试。此外，研究选取了尤卡坦小型猪作为动物模型，因为其生长迅速、解剖结构与儿童相似，适合评估生长适应性。研究还涉及了手术植入策略的开发、基于心脏超声和导管测量的急性与长期功能评估，以及组织学分析。
研究结果从多个层面验证了LEAP Valve的可行性与优势：
概念、设计及生长适应性LEAP Valve支架的体外性能
研究人员设计的LEAP Valve支架采用了镍钛诺材料，利用其超弹性特性，使支架能够在7至14毫米的直径范围内像弹簧一样工作，而不会发生塑性变形。有限元分析显示，在压缩至7毫米时，弹簧弯曲处的最大等效应变为5.4%，低于镍钛诺8%的超弹性极限，确保了设计的可靠性。径向力测试表明，所选支架在完全压缩（7毫米直径）时的最大径向力平均为7.21 N，远低于可能损伤组织的阈值（16 N），且在多次大变形测试后几乎无塑性变形，证明了其超弹性的稳定性。
组装LEAP Valve装置的开发
研究团队选择使用冷冻保存的人股静脉（Human Femoral Vein， HFV）移植物作为瓣膜来源，因其在较小直径下功能良好且尺寸合适。他们将HFV瓣膜缝合到生长适应性支架上，组装成完整的LEAP Valve装置。
急性体内植入显示LEAP Valve在小直径下具有良好瓣膜功能与适当约束
在四头猪仔中进行的急性植入研究优化了手术方案。成功植入的三例显示，术后心脏超声检查显示瓣膜功能良好，无明显狭窄或瓣周漏。肺动脉（Pulmonary Artery， PA）直径在植入后平均增加了9.8%，表明支架的向外径向力与宿主组织的约束力达到了平衡，支架被限制在适当直径而未过度扩张或撕裂组织。
生存研究证明了支架的自发生长适应机制
在生长队列研究中，五头猪仔分别在植入后2至6周被处死。短期（2-3周）随访显示，瓣膜功能良好，跨瓣压差低（<6 mmHg），且支架和内瓣膜直径随猪仔体重增加而增大。
在更长期（4-6周）的随访中，虽然由于瓣膜流入道区域形成增生组织（Pannus）导致了中度肺动脉狭窄和跨瓣压差升高，但X射线影像明确显示，支架本身的功能并未受限，依然随着生长实现了均匀扩张。植入6周后，支架外径从初始的约8.5毫米扩张至13毫米，增幅达53%，与未植入装置动物的肺动脉生长曲线基本匹配。
结论与讨论
这项研究成功论证了LEAP Valve中生长适应性支架的早期临床前可行性。其主要成就包括：第一，利用镍钛诺的超弹性设计了一种简单、可调谐的弹簧式扩张机制，实现了支架直径在7至14毫米范围内的被动、自适应性变化。第二，在快速生长的猪仔模型中，证明了LEAP Valve可以在与人类新生儿及婴儿相关的较小直径（约8-9毫米）下发挥功能，且急性植入后瓣膜性能良好。第三，也是最重要的一点，生存研究明确显示，支架能够在没有外科或经导管干预的情况下，随着动物的生长而自发、按比例地扩张，在6周内实现了直径的显著增加。
该研究的核心意义在于，它为解决先天性心脏病婴幼儿患者缺乏合适瓣膜假体这一长期未满足的临床需求提供了全新的技术路径。与目前临床使用的右心室-肺动脉管道（需要约2年后手术更换）或球囊扩张瓣膜（需要每10个月左右进行一次侵入性导管干预）相比，LEAP Valve的理念有望消除患儿在成长早期阶段所需的一次开胸手术或数次导管介入治疗，从而显著降低治疗相关的死亡率、并发症风险及医疗负担。
当然，研究也指出了面临的挑战，主要是在长期植入中出现的增生组织导致的狭窄问题，这反映了婴幼儿对生物材料可能产生更强的免疫反应。未来的工作将需要优化瓣膜材料、处理工艺以减轻炎症反应，并在更长期的动物模型中进行耐久性和生物相容性评估。此外，该支架设计本身是“瓣膜不可知”的，未来可与不同材料（如聚合物）的瓣膜技术结合，并且其生长适应性原理有望扩展到其他需要管腔生长的儿科适应症，如血管、肠道或泌尿道的先天性缺陷。
总而言之，这项研究展示了一种通过弹簧机制自发适应生长的支架设计，为那些需要能够跟上其快速生长步伐的技术的儿科患者带来了改变护理标准的潜力。它朝着为最年轻的患者提供可行的瓣膜假体、消除生命早期侵入性手术的目标，迈出了坚实而令人鼓舞的一步。
