Yapay Kalp Kapakçıkları
Nagihan Emeksiz – Yüksek Lisans Öğrencisi /Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mersin Üniversitesi
Bazen hızlı bazen yavaş ama tüm yaşam boyunca durmaksızın çalışan kalp, her atışında canlı olmanın devamlılığını simgeliyor. Genetik veya çevresel faktörlerin etkisiyle kalbin yapılarında meydana gelebilecek tüm aksaklıklar, bu canlılığı riske atabilecek ciddi sorunları temsil ediyor. Kalp kapakçığı hastalıkları bunlardan biri ve cerrahi müdahale ile onarılamayan kapakçıkların tedavisi yapay kalp kapakçığı kullanımından geçiyor.
Kalp Nasıl Çalışır?
Kalp, damarlar yoluyla tüm kardiyovasküler sistemde kan akışının gerçekleşmesi için ara vermeden çalışan mükemmel bir pompa mekanizmasıdır. Kalp hem sağ hem de sol kısmında bulunan atriyum ve ventrikül adı verilen iki pompalama odasından oluşur. Atriyum, kanın ventriküllere hareketini kolaylaştıran pasif bir pompalama sistemidir. Ventriküller, vücudu oluşturan tüm dokulara oksijenli kan iletimini veya akciğerlerin pulmoner devresine oksijensiz kanı yönlendiren aktif bir pompalama sistemidir. Kalp döngüsü, bir kalp atışı sırasında kardiyak miyositlerde (kas hücresi) meydana gelen diyastol (gevşeme) ve sistol (kasılma) hareketlerin sonucu olarak ifade edilir. Kan, kardiyovasküler sistem ve kalp boyunca etkili bir şekilde hareket etmesi için kalp kası devamlı olarak diyastol ve sistol hareketini gerçekleştirir. Kalbin otonom sinirler tarafından yönetilen kendi uyarı ve ileti sistemi bulunur. Sinoatriyal (SA) düğüm ile başlayan uyarı atriyoventriküler (AV) düğüme ulaşır; his demeti ve purkinje lifleriyle kalp kasının tamamına iletilir. Sağ atriyum duvarında bulunan ve kardiyak miyositlere doğrudan bağlı olan sinoatriyal (SA) düğüm, kalp içinde impuls üreten özel bir yapıdır. SA düğümünü oluşturan kas hücreleri oldukça yüksek sodyum konsantrasyonuna sahip hücre dışı sıvı ile çevrilidir. Sodyum iyonlarının SA düğüm hücrelerine sürekli olarak sızmasıyla membran potansiyelinde bir artış yaşanır. Potasyum ve kalsiyum kanalları, aksiyon potansiyel artışın devamlılığını önlemek için açılır. Böylece SA düğümünün depolarizasyon ve repolarizasyonu yaklaşık olarak her saniyede bir gerçekleşir. SA düğümün uyarısı ile kalp atışı başlatılır ve atriyumlar kasılır. Çok kısa bir süre içerisinde impluslar, ventriküler kasılmayı başlatmaktan sorumlu olan atriyoventriküler (AV) düğüme iletilir. Aksiyon potansiyeli AV düğümünden purkinje fiber sistemine geçer ve ventriküller kasılır. Kalbin sağ odacıklarında hareket eden kan şu sırayı takip eder: (1) Vücuttan toplanarak kalbe gelen kan, sağ atriyuma ulaşır; (2) Sağ atriyum ve sağ ventrikül arasındaki triküsbit kapak açılır, kan sağ karıncığa dolar; (3) Pulmoner kapak açılır, kan temizlenmek üzere sağ ventrikülden akciğere gider. Aynı zamanda kalbin sol odacıklarında da kan transferi gerçekleşir: (1) Akciğerde temizlenen kan sol atriyuma ulaşır; (2) Sol atriyum ve sol ventrikül arasındaki mitral kapak açılır, kan sol ventriküle dolar; (3) Aort kapak açılır, temizlenen kan dağıtılmak üzere aorta gider [1].
Kalp Kapakçıkları Neden Önemli?
Kalpte bulunan atriyoventriküler (triküsbit,mitral) ve semilunar (aort, pulmoner) kapakçıklar, kanın tek yönlü akmasına izin vererek kan akışını sağlarlar. Tüm kapakçıklar basınç değişikliklerine yanıt olarak pasif olarak açılır ve kapanır. Atriyumların kasılması sırasında, içindeki sıvı (kan) basıncı ventriküllerdeki sıvı basıncından daha büyük hale gelir ve oluşan basınç farkı nedeniyle kan, atriyumdan ventriküle geçer. Atriyum gevşerken ve ventriküller kasıldığında dengeler değişir, basınç bu sefer ventriküllerde artmaya başlar. Bu yüksek basınç tek yöne açılan AV kapakçıkları üzerinde bir kuvvet uygular ve kapanmaya zorlar böylece yüksek basınçlı ventriküllerden düşük basınçlı atriyuma kan hareketi önlenmiş olur. Semilunar kapakçıklarda da benzer bir durum görülmektedir. Ventrikül basıncı aort veya pulmonar arter basıncını aştığında kapakçıklar açılırken, ventriküller gevşediğinde kanın kalbe akışını önlemek için kapanır [2].
Kapakçıklar, kalbin çalışma mekanizmasının ayrılamaz bir parçasıdır ve birincil işlevi, kanın transferi sırasında geri akışını önlemektir. Kalp kapakçığı hastalıkları, kalpten kan akışını potansiyel olarak etkileyebilecek kapakçık tahribatı olarak adlandırılabilir. Kapakçıkların yeterli şekilde açılamaması, kardiyovasküler sistemde kan akışında bir azalma yaratmaktadır. Diğer yandan kapakçıklar tamamen kapanamazlarsa kanın kalbe geri akış olasılığı muhtemeldir. Bu durum kalbin odacıkları ve damarlardaki basınç düzeyini ciddi şekilde etkilemektedir. Kabin kapakçıklarındaki hasar iki şekilde gözlemlenir: Kapakçığın kapanmamasından dolayı kanın geri sızıntısı yaşaması “regürjitasyon (yetersizlik)” ya da kapakçığın yeterli açıklığı sağlayamaması “stenosis (darlık)”. Romatizmal ateş ve kalsifikasyon kalp kapakçığı hasarı oluşumunun temel nedenleri arasındadır. Kalsifikasyon vücutta artan kalsiyum konsantrasyonu ile ilişkilidir ve zamanla kapakçık dokusunda birikmesiyle stenosis (darlık) meydana getirmektedir. Romatizmal ateş, bakterinin vücuda girmesiyle çeşitli proteinler ürettiği bir enflamatuar hastalıktır. Bu proteinlerin vücudumuzda var olan proteinlere olan benzerliği nedeniyle bağışıklık sistemi tarafından üretilen antikorlar bakteriyel proteinlerin yanı sıra bazı konakçı proteinlerine de saldırır. Eğer bu saldırı kalp dokusunda meydana gelirse kalp kapakçık yapılarında ciddi hasara neden olması ile sonuçlanır. Protein yapılarının tahribatı, kapakçıkların tamamen açılmasını ve kapanmasını önler. Bu durum kalp kapakçıklarında stenosise ya da regürjitasyona neden olur [4].
Yapay Kalp Kapakçıkları
İmplantlar vücudumuzda hasarlı bir biyolojik yapıyı onarmak veya değiştirmek için kullanılan medikal cihazlardır. Vücut tarafından kabul görmesi ve herhangi bir enflamatuar tepkiye neden olmaması için biyouyumlu malzemelerin seçilmesi en temel önceliktir. Bununla birlikte yerini dolduracak veya destek olacak dokuyu tamamen taklit edebilmesi için doğru malzeme seçimi ve iyi bir dizayn gerekir. Kalp kapakçıkların performansını mekanik ve hemodinamik özellikleri belirlemektedir. Bu yüzden tasarlanan protezler, doğal kalp kapakçıklarının işlevlerini yerine getirebilmek için bu iki özelliği hedef alır. Kalp kapakçık dokusunun ana bileşenleri elastin ve kollajendir. Bu bileşenler dayanıklık, sertlik ve elastisite içeren mekanik özellikleri etkiler. Protezdeki malzeme (metal, polimer, seramik) seçimi kalp dokularının genel mekanik davranışını belirlemektedir. Hemodinamik özelliklerin taklit edebilmesi ise iyi bir tasarım (geometri) oluşturmaktan geçer çünkü kalp kapakçık kanatlarının boyutları, şekilleri ve birbirleriyle olan açısı kan akış dinamiğini oluşturmaktadır. Kalp kapakçığı replasman tedavisi, biyoprostetik veya mekanik protezler kullanılarak gerçekleşmektedir. Biyoprostetik kalp kapakçıkları hayvan (xenograft) ve insan (allograft) donörler tarafından temin edilirler. Biyolojik yapısı sayesinde yüksek biyouyumluluk gösteren biyoprostetik protez kullanımında, mekanik kapakçıklarda çok sık rastlanan tromboz (pıhtı) oluşumu görülmemektedir. Bir diğer avantajı, donör vücuttaki fizyolojisi replasmanı yapılan kalpte tekrar devam ettiği için hemodinamik perforsmanları çok başarılıdır. Fakat bu durum aynı zamanda protezin tek bir boyutta olması nedeniyle hastaya fiziksel uygunluğu konusunda sorunlar oluşturur. Ayrıca hızlı yıpranma göstermelerinden dolayı sık değişim ve ameliyat gerektirmesi en büyük dezavantajıdır [5]. 1952’de Charles Hufnagel, kalp kapağı replasman çağını başlatacak bir adım attı ve aort kapağı regülasyonu olan bir hastaya protez kalp kapakçığı implante etti. Hufnagel’in kullandığı kalp kapakçığı, metil metakrilat bir tüpün içerisine yerleştirilen metakrilat bir top şeklinde tasarlanmıştı. Kapakçıkların basınç karşısındaki pasif çalışma prensibini esas alan bu protez, tüpün içerisindeki top yardımıyla kapakçığın açılma ve kapama işlevini sağlamıştır. Kan tarafından top üzerine uygulanan basınç aorttaki basıncı aştığında kapakçık açık pozisyona gelir ve kan kalpten aortun içerisine akar. Kalp içerisindeki basınç büyük ölçüde azaldığında kan kalbin içerisine geri akmaya çalışır fakat negatif basınç küresel vanayı geriye doğru emer böylece kanın geri akışı önlenir. Hufnagel’in metil metakrilat kapakçığının ardından yerini, kobalt krom (Co-Cr) alaşımlı kafes içerisine yerleştirilen silikon top olarak dizayn edilen “Starr-Edwards Caged Ball” aldı. Kapakçığın görevini üstlenen bu tasarımlar, kalp kapakçığı hastalığından muzdarip olan nesiller için ciddi başarılar olmasına karşın hemodinamik ve tromboz ile ilgili ciddi sorunlarla karşı karşıya kalmıştır. Kalbimizde kan transferi, kapakçıklardan merkezi bir akış şeklinde gerçekleşir ama top bu akış dinamiğine engel olarak kanın çevresinden yanal olarak akışına neden olur. Bunun gibi bir hemodinamik sorunların üstesinden gelebilmek için “Tilting Disc (Devirme Diskleri)” kalp kapakçığı tasarlanmıştır. Menteşeler üzerinde dönen disk pirolitik karbon (pyrolytic carbon) ile kaplanarak stres ve aşınmaya karşı oldukça dirençli olması sağlanmıştır. Tromboz oluşumunun önüne geçilememesi nedeniyle düz disk önce iç bükey bir diske daha sonra ise iki tane yarım daire diskler olan “Bileaflet” protezine yerini bırakmıştır. Bu iki yarım daire kan akışını diğer protezlere göre çok daha başarılı bir şekilde merkezi olarak gerçekleşmesini sağlayarak hemodinamik sorunları en aza indirmiştir. Kanın geri akışına kısmen de olsa izin veren “Bileaflet” kalp kapakçığı, mühendisler ve hekimler için son durak olarak kalmamıştır [6].
Biyoprostetik kapakçıkların iyi hemodinamik özelliklerine rağmen gösterdikleri düşük dayanımları ve mekanik kapakçıkların tromboz (pıhtı) oluşturma eğilimleri, uzmanları “Polymeric trileaflet” tasarımına yönlendirmiştir. Aort ve pulmoner kapakçıklara geometrik benzeyen bu tasarım, doğal kalp kapakçıkların hemodinamiğini taklit eden bir merkezi akışa sahiptir. Ayrıca kopolimer sentezi kalp kapakçıkların fizik, mekanik ve biyokimyasal özelliklerini kontrol etmeyi mümkün kılar. PU (poliüretan), PHA (Polihidroksialkanoat), hidrojeller, silikon ve poliolefin kauçuklar polimer kalp kapakçığında tercih edilen malzemelerdir. [7].
Referanslar
Rubenstein, D., A., Yin, W., Frame, M., D., (2015). The Heart, Biofluid Mechanics (Second Edition), s.123-160 doi: 10.1016/B978-0-12-800944-4.00004-4
Rubenstein, D., A., Yin, W., Frame, M., D., (2015). Blood Flow in Arteries and Veins, Biofluid Mechanics (Second Edition), s.161-223 doi: 10.1016/B978-0-12-800944-4.00005-6
Bhuwan Kochhar (2020) Defects In The Heart Valves. 23 Mart 2021 tarihinde https://medium.com/@bhuwankochhar/defects-in-the-heart-valves-5b9489e67d19 adresinden erişildi.
Ramakrishna, H., Craner, R., C., Devaleria, P., A., Cook, D., J., Housmans, P., R., Rehfeldt, K., H., (2018). Valvular Heart Disease: Replacement and Repair, Kaplan's Essentials of Cardiac Anesthesia (Second Edition), s.352-384 doi: 10.1016/B978-0-323-49798-5.00015-2
Oveissi, F., Naficy, S., Lee, A., Winlaw, D., S., Dehghani, F., (2020). Materials and manufacturing perspectives in engineering heart valves: a review, Materials Today Bio, 5, doi: 10.1016/j.mtbio.2019.100038
De Martino, A., Milano, A., V., Thiene, G., Bortolotti, U., (2020). Diamond Anniversary of Mechanical Cardiac Valve Prostheses: A Tale of Cages, Balls, and Discs, Our Surgıcal Herıtage, 110(4), s. 1427-1433 doi: 10.1016/j.athoracsur.2020.04.143
Claiborne, T., E., Slepian, M., J., Hossainy, S., Bluestein, D., (2012). Polymeric trileaflet prosthetic heart valves: evolution and path to clinical reality, Expert Reviews, 9(6), s.577–594 doi: 10.1586/ERD.12.51
Peter Rüegg (2019). Custom 3D-printed heart valves fit perfectly. 23 Mart 2021 tarihinde Read Custom 3D-printed Heart Valves Fit Perfectly Online (scribd.com) adresinden erişildi.