le valvole naturali vanno incontro a degradazione, invecchiamento sia a causa dell’età sia per patologie.
- Stenosi: aumenta lo spessore dei foglietti delle valvole che diventano più rigidi, la valvola cessa di aprirsi in modo corretto e il sangue fatica a passare
- Insufficienza: il tessuto fisiologico perde in elasticità, rigidezza e flessibilità, quindi i foglietti tendono a non chiudersi bene e una parte del sangue può tornare indietro.
--> In entrambi i casi le valvole possono essere sostituite con una artificiale.
Caratteristiche sostituto ideale:
- Emocompatibilità: bassa o nulla azione trombogenica, emolitica e denaturante le proteine - Sicurezza: assenza di cedimenti strutturali e complicanze intrinseche alla protesi
- Performance emodinamica: ricreare un flusso transprotesico quanto più vicino a quello fisiologico, con basso gradiente pressorio, privo di resistenza, turbolenze e rigurgiti
3 tipi di valvole:
1. Biologiche
Provengono da porcino (lembi valvole) o bovino (pericardio), vengono impiantate in pazienti con età maggiore di 70 perché tendono a durare meno rispetto alle valvole sintetiche e potrebbero non durare tutta la vita del paziente. Viene usata anche nei casi in cui non è possibile fare una terapia anticoagulante, che è necessaria in caso di valvole meccaniche.
La forma è simile alle valvole umane: 3 lembi valvolari flessibili in grado di aprirsi e chiudersi
ermeticamente a seguito di differenze di pressione. Prima di impiantarle si deve fare un trattamento con glutaraldeide, che reticola il collagene e lo rende più stabile, per sterilizzare il tessuto e renderlo meno soggetto a risposta immunitaria. Possono essere montate su un supporto metallico o polimerico (stented o stentless) e sono completate da un anello di sutura.
La valvola porcina può essere montata su una struttura metallica in cobalto, lega metallica inox, materiale polimerico o lega di titanio che la rende più rigida e quindi meno simile a una valvola naturale, ma permette di avere una struttura portante che previene il collasso dei tre lembi. Il supporto è rivestito di teflon o dacron. Dal pericardio bovino si ricavano delle strisce con cui viene costruita la valvola, in alcuni casi si usa una struttura in dacron che serve per suturare la valvola al tessuto cardiaco del paziente, spesso è trattata con carbonio turbostratico.
2. Meccaniche
Sono formate da tre parti principali: l’housing (parte esterna), l’occlusore o elemento mobile e l’anello di sutura (esterno).
Ne esistono 3 tipi:
- Caged ball (valvole a gabbia): l’elemento mobile/di occlusione è una sfera, all’inizio era in acciaio ma produceva emolisi (elementi corpuscolari lesionati), poi è stata sostituita con una in silicone (PDMS).
L’anello di sutura può essere in gorotex o dacron, di solito è in dacron perché è più facile da suturare.
L’housing è in stellite o lega di titanio. L’affidabilità meccanica era elevata nel tempo, ma fu sostituita perché dava problemi di emolisi.
- Tilting disc (valvole a disco oscillante): prima come elemento occlusore si utilizzava un materiale
polimerico (delerin, poliossimetilene), che era molto inerte e resistente, ma andava incontro a erosione, poi è stato sostituito con un occlusore in grafite rivestita da carbonio turbostratico, che è in grado di assorbire l’albumina ma non altre proteine e quindi passiva il materiale, rimanendo inerte rispetto agli elementi corpuscolari. L’housing può essere in lega di cobalto o lega di titanio, mentre l’anello di sutura è sempre in dacron o gorotex. Dal punto di vista fluidodinamico è migliore rispetto alla caged ball (ridotto rischio trombogenico e di emolisi), ma ogni volta che il sangue passa si sente del rumore di apertura e chiusura, inoltre necessita di approfonditi controlli di qualità. I punti di saldatura sono punti di irregolarità che possono rompersi e rilasciare il pezzo metallico, per evitare lacerazione dei tessuti si fa un’unica struttura in stampo a cera persa. Se il materiale metallico non è stato lucidato in maniera adeguata gli elementi
corpuscolari possono depositarsi sulle rugosità e portare a trombi. Si può rivestire con il carbonio turbostratico anche la parte metallica per rendere tutta la valvola inerte.
- Bileaflet (valvole a due emidischi): è composta da due emi-dischi incernierati sull’housing ed è costituita degli stessi materiali delle tilting disc (leaflet in carbonio pirolitico o carbonio pirolitico su grafite, housing in lega di titanio, anello in teflon + carbonio turbostratico), ma presenta una migliore fluidodinamica con basso rischio di emolisi e di coagulazione. Il dacron non rivestito serve per mantenere più fissi gli impianti grazie alla proliferazione delle cellule, non è rivestito perché non vede il sangue essendo posto al’esterno.
Esempio: protesi valvolare st. Jude Silzone, l’anello di sutura era rivestito con materiale a base di argento per ridurre i rischi di endocardite (argento è antibatterico), è stata ritirata dal commercio perché dava complicanze trombo-emboliche e leakage paravalvolare (sangue trafila in uno o più punti tra l’anello di sutura e il tessuto cardiaco). Il fallimento era dovuto al fatto che l’argento non solo non faceva aderire i batteri, ma anche le cellule che non potevano proliferare.
Il rivestimento in argento è stato sostituito con il carbonio turbostratico, che esseno rugoso interagisce con gli elementi corpuscolari del sangue e viene quindi rettificato, ovvero lavorato con paste diamantate contenenti microparticelle, che permettono di lucidare il materiale e diminuire la rugosità.
[Carbonio turbostratico e pirolitico]
- Grafite: arrangiamento ordinato di piani paralleli composti da esagoni di carbonio uniti da legami deboli (tra piani) e legami forti sullo stesso piano.
- Carbonio turbostratico: orientazione casuale dei cristalli di grafite, alta resistenza all’usura e alla fatica meccanica. Sono presenti vacanze tra i piani, mancano degli atomi di carbonio, che portano ad avere interazioni tra piani con legami covalenti, la struttura è più resistente a taglio, è emocompatibile,
biocompatibile e inerte. Viene depositato sulla superficie delle fibre mediante deposizione fisica da vapore (PVD) in cui un flusso ionico scalza ioni da un target di carbonio turbostratico pirolitico, senza modificare le caratteristiche del tessuto. La temperatura utilizzata è ULTI (ultra low temperature isotropic), quindi è possibile depositare il carbonio turbostratico sulle parti che non resistono ad alte T.
Controllo qualità: Pull test --> un perno viene incollato sul carbonio e si misura la forza necessaria per staccare il film dalla struttura
(formazione di coaguli o panno fibroso)
Durata limitata (15-20 anni)
Non richiedono trattamento farmacologico anticoagulante a vita
Non rumorose
Degradano progressivamente
- Carbonio pirolitico: ottenuto per decomposizione pirolitica di idrocarburi ad alte T (1000 °C, pirolisi) Controllo qualità: - metallografia --> struttura granulare, colonnare e inclusioni
- durezza --> microdurezza Vickers (230-400kg/mm2)
- prove a flessione --> determinazione del carico di rottura di una lamina di carbonio pirolitico (35-60 kg/mm2)
- rettifica --> togliere rugosità 3. Biomorfe
I lembi valvolari sono in poliuretano, l’anello di sutura in poliuretano, dacron o teflon, gli stent di supporto in poliuretano ad alto grado di durezza (poli-carbonato-uretano) o PEEK rivestito con poliuretano (polimero con caratteristiche meccaniche simile a metalli ma con bassa densità).
Aortica: è simmetrica, ha tre lembi valvolari identici (trileaflet), stent con tre sostegni e sezione trasversale circolare.
Mitralica: è asimmetrica, ha due lembi valvolari (bileaflet), stent con due sostegni e sezione traversale ovale Produzione: si realizzano stampi in materiale metallico che hanno la forma della valvola da ottenere (stent di supporto ottenuti per stampaggio a iniezione), poi si mette sopra lo stent di supporto in PEEK, si prepara quindi una soluzione di dimetilacetammide in cui sciogliere il poliuretano e si effettua solvent casting sullo stampo. L’operazione viene effettuata più volte per ottenere lo spessore voluto (dip-coating = rivestimento per immersioni successive)
Parametri valutati: - fessibilità dello stent
- punti di contatto foglietti-stent
- spessore dei foglietti e sua distribuzione non uniforme
- Valvole in policarbonato-uretano: sono stati effettuati test in vitro a fatica (600milioni-1miliardo di clici che corrisponde a 15-26 anni di funzionamento fisiologico) e test in vivo su vitelli. Buona funzionalità emodinamica, anelli di sutura da neointima senza crescita significativa di pannus, nessuna complicazione trombogenica, performance in vivo superiori alle valvole biologiche. Su modelli complessi i leflet non si chiudono completamente, in alcuni casi è presente anche stenosi e irrigidimento dovuto a calcificazione - Valvole in copolimero silicone-poliuretano: sono stati effettuati test in vivo a fatica (800 milioni di cicli = 20 anni) e test in vivo su pecore per testare la biostabilità dei materiali in ambiente biologico. In seguito, sono state effettuate diverse analisi: - analisi chimica FTIR --> no alterazioni della struttura dei polimeri
- analisi morfologica al SEM --> no cambiamenti nella morfologia superficiale
- test di isteresi --> adeguata resistenza alla deformazione plastica e mantenimento dell’elasticità del materiale
- immagini radiografiche --> assenza di aree di calcificazione intrinseca - colorazione con Alizarina S --> depositi superficiali di materiale biologico calcificato in prossimità del punto di contatto lembo-stent dove si può avere ristagno di sangue
- Valvole in SIBS: diverse % di polistirene per capire quale fosse il più adatto ad aprire e chiudere le valvole, ottenute per compression molding
Approccio mininvasivo: scopo è l’impianto di una valvola biologica porcina tramite catetere, senza aprire il torace, esistono due tipi di valvole in sperimentazione (espandibili con palloncino in lega di cobalto o self-expanding in lega di Ni-TI). La valvola viene montata su stent metallico, che viene rimpicciolito e posto sul catetere, che viene portato fino al sito, al momento del rilascio lo stent si apre e blocca la valvola in sito.
Es. stent in Nitinolo autoespandibile e valvola biologica in pericardio bovino