人工机械瓣膜的设计、材料及其制造方法

相关的申请本发明申请应在下列文件的保护下拥有其优先权：U.S.Ser.No.10/717,817 filed Nov.20，2003并且上述文件中所包含的全部内容也将在这里作为参考书目，构成本申请说明书的一部分。

本发明的所属技术领域本发明涉及了人工机械瓣膜的设计，材料及其制作方法。这些瓣膜不仅仅用于人休循环系统，也可应用于其它系统和领域。

本发明的背景人工瓣膜是指使用一种设计好的用于替换人体内的某个瓣状部位的人造装置。在治疗瓣膜疾病方面，传统上都是通过外科植入手术，用人工瓣膜替换人体内原来的瓣膜。尤其是在心脏瓣膜方面，已发展了有多种不同的设计，用于置换有缺陷的原始心脏瓣膜。

早先的置换用心脏瓣膜，其典型结构包括一个环状瓣支架(或瓣体)以构成血流通道，以及一些附着在瓣体上的用来打开或关闭血流通道的装置。这些瓣膜所包括的膜组件从结构上可分为单瓣叶，双瓣叶和多瓣叶几种类型。值得注意的是，心脏瓣膜的总体设计和各部件之间的配合，与所使用的材料一样，都影响着人工瓣膜的性能和远期效果。以美国第4,276,658号专利为例，目前设计水平最高的瓣膜，它的铰链部位会阻碍血流，并导致血液产生涡流。由于瓣叶在铰链内的部分过浅，在瓣膜使用的不同阶段，瓣叶脱落问题也经常见诸报道。此外，人体的不同部位，需要使用一些较小直径的瓣膜，但由于在瓣膜体中通常所使用的材料的脆性问题，使得这些小直径瓣膜的设计和制作相当困难。因此，为拓展人工瓣膜的多种不同的应用，对其进行改进的需求，依然存在。

在设计中，被选择用于制作人工机械瓣膜的材料的必须具有生物亲和与耐磨这两个特性。在先前的机械心脏瓣膜中，使用的几乎全部是热解碳。但它并不是最好的生物适应性材料。同时，在很多情况下，为了提高硬度和耐磨性，不得不在原材料中加入高凝血的SiC。由于制作人工机械瓣膜的材料限制的原故，植入机械瓣膜的患者，必需在植入后终生服用抗凝药物，以减少血凝和血栓的形成。但仍然有大量的报告指出，即使对于那些一直坚持用药的瓣膜置换者，也会出现多种并发症和副作用。就是设计水平最好的人工机械瓣膜，其涂层的许多物质特性与基片不匹配而导致二者之间产生严重的残余应力，从而增加了使用者(病人)的风险。另外，热解碳的脆性极高。由于医疗用植入体的严格要求，所用材料的可靠性是极其重要的。通常，为了确保机械心脏瓣膜的品质，在其制造的过程中，引入了大量的设计，检测和测试的技术。这使得整个生产过程非常烦琐，耗时，因而产品的成本也大大增加。

综上所述，为了达到较好的效能和可靠性，对人工瓣机械膜的工艺，需要更多的从整体设计，材料选择和制作方法等方面做进一步的改进。本发明正是专注于这一改进的需求。

附图说明

所有附图构成本说明书的一部分的，其中还包含了对本发明某些特定方面的进一步说明。在这里，通过参考一个或多个图示以及与之相对应的具有代表性的详细的说明，从而可以更好地理解本发明。

图.1a，表示一个球形瓣膜三维剖面视图图.1b，表示一个球形瓣膜二维剖面视图图.2a，表示一个单叶瓣膜三维剖面视图图.2b，表示一个单叶瓣膜支架的另一种模型的三维剖面侧视图图.2c是图.2a中所示的单叶瓣膜的剖面图图.2d是图.2a和图.2c中所示瓣膜的瓣叶的视图图3a表示一个具有打通的铰链的单叶瓣膜的三维剖面视图(打开位置)图3b表示一个具有打通的铰链的单叶瓣膜的三维剖面视图(闭合位置)图3c表示一个具有打通的铰链的单叶瓣膜的二维剖面视图(打开位置)图3d是图3a和图3b中所示具有打通的铰链的单叶瓣膜的瓣叶图3e是另一种具有对称蝴蝶结形打通的铰链设计图3f是另一种具有非对称蝴蝶结形打通的铰链设计图3g是一种具有打通的铰链和缝合边结构的单叶瓣膜的仰视图图3h是一种具有打通的铰链和缝合边结构的单叶瓣膜的俯视图图3i表示图3g和图3h中所示的用在跨心肌冠状动脉血管供血中的单叶瓣膜的相对而位置和府视图图3j表示图3g和图3h中所示的用在跨心肌冠状动脉血管供血中的单叶瓣膜的相对而位置和剖面图图4a表示一个打通的铰链结构的双叶瓣膜的三维视图(打开位置)图4b表示一个打通的铰链结构的双叶瓣膜的三维视图(闭合位置)图4c表示一个打通的铰链结构的双叶瓣膜的剖面视图(打开位置)图4d是打通的铰链结构的双叶瓣膜(与图4c的位置的交角为90度)剖面视图(打开位置)图4e是这种双叶瓣膜支架的全视图图4f是这种打通的铰链结构的双叶瓣膜膜叶的全视图图4g是一种具有打通的三角形铰链(打开位置)和缝合边结构的双叶瓣膜的剖面视图图4h是一种具有打通的三角形铰链(打开位置)和缝合边结构的双叶瓣膜的剖面视图(与图4g的位置的交角为90度)图4i是这种具有打通的三角形铰链的双叶瓣膜的法兰状缝合边缘图4j是一种具有打通的蝴蝶结形铰链(打开位置)和缝合边结构的双叶瓣膜的剖面视图图4k是一种具有打通的蝴蝶结形铰链(打开位置)和缝合边结构的双叶瓣膜的剖面视图(与图4g的位置交角为90度)图4l是一种具有打通的非对称蝴蝶结形铰链(打开位置)和缝合边结构的双叶瓣膜的剖面视图图4m是图4l中所示非对称蝴蝶结形铰链结构的双叶瓣膜的铰链区的剖视图图4n是一种打通的对称蝴蝶结形铰链结构的双叶瓣膜的铰链区的剖视图图4o是一种具有平底的(未打通的)对称蝴蝶结形铰链结构的双叶瓣膜的铰链区的剖视图图4p是一种一半打通另一半为球面底的对称的蝴蝶结形铰链结构的双叶瓣膜的铰链区的三维视图图4q是一种一半打通另一半为平底的(未打通的)对称的蝴蝶结形铰链结构的双叶瓣膜的铰链区的剖面视图图4r是一种不打通的球面底的对称的蝴蝶结形铰链结构的双叶瓣膜的铰链区的剖面视图图4s是一种打通的凸起的球面底的对称的蝴蝶结形铰链结构的双叶瓣膜的铰链区的三维视图图5a表示一个具有打通的铰链结构的三叶瓣膜的三维视图(打开位置)

图5b表示一个具有打通的铰链结构的三叶瓣膜的三维视图(闭合位置)图5c表示图5a中所示三叶瓣膜在打开时三个瓣叶的相对位置图5d表示图5b中所示三叶瓣膜的在闭合时三个瓣叶的相对位置图5e是这种三叶瓣膜在打开时(虚线表示瓣叶)和闭合时(实线表示膜叶)的府视图图5f是这种三叶瓣膜在打开时(虚线表示瓣叶)和闭合时(实线表示膜叶)的府视图(相对于图5e旋转60度)图5g是三叶瓣膜的铰链区没有装入瓣叶时的剖面视图(剖面位置如图5e中箭头所示)图5h是三叶瓣膜的铰链区没有装入瓣叶时的剖面视图(剖面位置如图5f中箭头所示)图5i是带有缝合边的三叶瓣膜在打开时(虚线表示瓣叶)和闭合时(实线表示瓣叶)的府视图图5j是带有缝合边的三叶瓣膜在打开时(虚线表示瓣叶)和闭合时(实线表示瓣叶)的府视图(相对于图5i旋转60度)图5k是这种三叶瓣膜的铰链区没有装入瓣叶时的剖面视图(剖面位置如图5i中箭头所示)图5l是这种三叶瓣膜的铰链区没有装入瓣叶时的剖面视图剖面位置如图5j中箭头所示)图5m是具有对称蝴蝶结形铰链结构的三叶瓣膜的铰链区剖面视图图5n是具有非对称蝴蝶结形铰链结构的三叶瓣膜的铰链区剖面视图图.6是制作小直径球形瓣膜的生产步骤图.7瓣膜生产步骤的流程图图.8是制作小直径碟形瓣膜的生产步骤图.9制作这些装置的加工设备图.10表示各向同性热解碳和纳米级工程热解碳的之间的差别图.11抛光后瓣叶横截面的光学显微图片。这种瓣叶的结构是碳纤维增强石墨基片，纳米碳纤维增强中间涂层和纳米级排列碳表层构成的。

本发明的详细说明本发明涉及了一系列设计新颖的人工瓣膜，改进了热解碳的生物亲和性，并提出了新颖的制作方法。

人工瓣膜在插图1a中是一个典型的球形人工瓣膜111的剖面图，其结构体现了本发明的各种特性。这种人工瓣膜有一个环状瓣体(支架)113，承载着起开合作用的球形瓣膜元件(阻塞体)115。115的打开或闭合，就控制着血流能否按图1b中箭头119所示方向通过瓣膜中间的通道117。这种T形的瓣体有两个出口121，它们朝相反的方向伸开并且与瓣膜的主体113成90度。在瓣主体113和出口121的交接处，形成一个囊状空腔，将阻塞体115封装在里面。球形阻塞体的大小与瓣体的通道123的内壁相配合，因而恰好可以在其打开和闭合的两个位置之间跳动，这样在主瓣体113和出口121之间可以形成一个单方向的通道。球形瓣111可以在任何方向正常工作，尤其是它不受重力的影响。但为了说明的方便，通常都将其按瓣膜里流体的终点向上的方式来进行展示和描述。通过瓣体113的通道117通常都是圆筒形的。如图1a中所示，阻塞体115，都是表面抛光的球状物。其它如碟形的也可以生产。瓣体113的外部有一个凹槽，槽的外表面正好与一个缝合环(此处未示出)相吻合，以便于将心脏瓣膜111缝合开心脏组织上。

图2a是一个典型的单叶心脏瓣膜211。这种瓣膜有一个环形的瓣体(支架)213，承载着起开合作用的碟形瓣膜元件(阻塞体)215。215的打开或闭合，就控制着血流能否按图2a中箭头219所示方向通过瓣膜中间的通道217。沿相反方向伸开的两个侧突(耳状物)221位于阻塞体215(图2d)的离心线上。侧突与瓣体213内的弧形凹槽223相配合，因而阻塞体在弧形凹槽223的引导下，可以在打开和关闭的两个位置(图2a和2c)之间摆动。同时，阻塞体215可以绕着瓣体213的中轴线自由地转动。瓣膜211可以在任何方向正常工作，尤其是它不受重力的影响。但为了说明的方便，通常都将其按瓣膜里流体的终点向上的方式来进行展示和描述。瓣体213上形成一个法兰盘状出口241(图2a)，在外缘的周围公布有缝合孔245，以便将瓣膜211缝合或附着在心脏组织上。瓣体213上形成一个弧形凹槽，它将通过瓣体213的圆形通道217从中分成两个部分。如图2d所示，阻塞体(瓣叶)215通常是厚度均匀的扁平的碟形结构，其圆形的外缘中断于侧突伸出的位置，其剩下的弧形部分的边缘231和233在关闭时，分别与相邻的瓣体内壁的弧形部分紧密地合在一起。阻塞体(瓣叶)215的圆形的外缘239与表面241(或上行流体面)紧密地接触在一起。侧突(耳状物)221和凹槽223的啮合既保持了阻塞体(瓣叶)215位于瓣体213的里面，又控制了其在里面的运动。侧突(耳状物)221是一个椭圆体的结构，它沿着离心线上两个相反的方向从阻塞体(瓣叶)215上一直延伸到凹槽223里。与侧突(耳状物)221相啮合的凹槽223的横截面是一个椭面，它按弧形的路径引导着侧突的运动。阻塞体(瓣叶)215打开的位置被约束在与中心面的夹角为5度到35度之间。事实上，侧突的宽度相对而言大于凹槽的宽度，这不仅决定了阻塞体(瓣叶)215完全打开和完全关闭的位置，同时也保证了其不会旋转过量而翻来另外一侧。在另一种模型中，瓣膜支架的凹槽的横截面可以设计成方形，以引导瓣叶的旋转和侧突在凹槽内的滑动。

图3a和3b是两个同等水平的双叶心脏瓣膜311。这种瓣膜有一个环形的瓣体(支架)313，承载着起开合作用的碟形瓣膜元件(阻塞体)315。315的打开或关闭，就控制着血流能否按图3c中箭头319所示方向通过瓣膜中间的通道317。两个侧突(耳状物)321(图3d)沿相反方向从阻塞体315的离心线上伸出，并且与瓣体313上的两个铰链323相配合。因而，瓣叶被控制在其打开和关闭的两个位置之间摆动。瓣膜311可以在任何方向正常工作，尤其是它不受重力的影响。但为了说明的方便，通常都将其按瓣膜里流体的终点向上的方式来进行展示和描述。

瓣体(支架)313带有一个外环槽325，槽的外表面正好与一个缝合环(图中未显示)相啮合，以便于心脏瓣膜311与心脏组织的缝合并连接一个血液导管。贯穿瓣体313的通道317通常都是环状的，被两个直接相对的小平面327分为两个部分。铰链323位于小平面327上。如图3d所示，阻塞体(瓣叶)315通常是厚度均匀的扁平的碟形结构。其圆形的外缘中断于小平直面337，并从那里伸出侧突321，剩下的弧形边缘部分317在关闭位置，与相邻的瓣体内壁的弧形部分紧密地合在一起。

平直小面337的间隔略小于瓣体内壁上相对的平面327间的距离。而且它还交替地做为阻塞体(瓣叶)315在摆动时的承载受力的面。瓣体内壁上的平面327和阻塞体(瓣叶)315上的小平直面337的这种结构，使得阻塞体(瓣叶)315外缘上靠近中轴面的部分——也就是通过瓣体中心线并与平面327垂直的面，在打开过程中，逐渐偏离中轴面时，不会受到瓣体313上面的约束而被阻挡。阻塞体(瓣叶)315外缘339在其逆流面(或面341)和顺流面(或面343)之间呈圆形从而消除了明显的拐角，。侧突(耳状物)321和铰链323的啮合既保持了阻塞体(瓣叶)315位于瓣体313的里面，又控制了其在里面的运动。侧突(耳状物)321通常具有一个矩形结构，它沿着离心线上两个相反的方向从阻塞体，从阻塞体(瓣叶)315的平直小平面337处伸出，并延伸到铰链323里。与侧突(耳状物)321啮合的铰链323是一个弧形的凹，它引导着侧突(耳状物)321按一个拱形的路径运动。

在阻塞体(瓣叶)315的打开和闭合过程中，逆流边351与中轴面间构成一个从5度到35度的夹角。顺流边347也按此方式以弧形路径偏离中轴面，同时侧突321与临近的面紧密地结合在一起。图3g和图3h展示了一个可以将瓣膜与组织直接缝合起来的法兰盘状的出口。这种结构同样可以应用于下面图4和图5中所示的双叶和三叶瓣膜中。尤其是用于冠状动脉时，这种设计的瓣膜，相对于目前设计水平最高的使用一个附加缝合环结构的瓣膜，其有效瓣口面积可以提高30％到50％。图3e和图3f中显示的是具有这种铰链设计的另外两种模型。另外，从图4n到图4s显示了其它几种可用于单叶，叶和三瓣叶瓣膜的铰链设计方案。图3i表示图3g和图3h中所示的用在跨心肌冠状动脉血管供血中的单叶瓣膜的相对而位置和俯视图。图3j表示图3g和图3h中所示的用在跨心肌冠状动脉血管供血中的单叶瓣膜的相对而位置和剖面图。

图4a和4b显示的是一种典型的双叶心脏瓣膜411。这种瓣膜有一个环形的瓣体(支架)413，承载着两个绕轴旋转的瓣叶(瓣膜元件)415。415的打开或闭合，就控制着血流能否按图4c中箭头419所示方向通过瓣膜中间的通道417。如图4a和4b所示，在环形瓣体413上向上延伸出两个相对的支撑部421，从偏离中轴线的方向支撑着瓣叶415。同样，我们知道瓣膜411可以在任何方向工作，且不受重力的影响，但为了便于说明，我们按瓣膜411的环形瓣体423上的支撑部421垂直向上的方向来进行阐述。在瓣体的外侧有一个凹槽423，它的外表面可以与一个缝合环(图中未显示)相配合，凹槽423也可以是本文中所列的任何一种类型。当然，缝合环可以方便地将心脏瓣膜411缝合心脏组织上。

通过瓣体413的通道417适宜于是一种环形结构，因而界定其外形的瓣体内壁425是直圆柱形。制作瓣体413和瓣叶415应采用合适的材料，以满足生物亲和性，抗凝血和耐磨(保证瓣叶的无数次的开合运动)的要求。如图4d和4f所示，瓣叶415是厚度均匀的扁平状，它的较小边缘429(次边缘)是平直面，较大边缘(主边缘)431是一个可以与通道417的内壁相匹配的曲面。通常，我们可以通过用一个斜面与瓣体413的直圆柱形的内壁表面425组合，来界定较大的弧形边431的轮廓线。次边缘429和主边缘431之间形成一个斜角，这样当瓣膜411关闭时，主边缘431与内壁425合在一起，而次边缘429与另一个瓣叶的次边缘合在一起。每个直立的支撑部上421包括两个三角形的铰链441。制作瓣体413的材料需有一定的弹性，以保证瓣叶415可以被压弯从而使侧突432伸进铰链441。为了保证运动的自由度，支点448处的弧线半径略大于433处的弧线半径，但不超过它的3％。在关闭时，内缘447可以阻止瓣叶以使其停止转动。同样，瓣叶本身相对应的边缘也可使其停止转动。在打开时，外缘446可以阻止瓣叶以使其停止转动。如图4b所示，铰链441的外缘446与瓣体413轴线平行线之间形成一个5-10度的夹角B，因此，瓣叶在打开位置停止时，与通道的轴线之间有一个偏移角，这样反压力就会产生一个从瓣叶415指向445的力矢量，从而可以关闭瓣膜411。

如图4e所示，铰链441的内缘447与通道的轴线平行线之间形成一个60-85度的夹角A，这样瓣叶415就可以在55度到85度之间旋转。如图4b中所示，在打开的位置，瓣叶415的主要部分可以向下摆动，直到侧突332接触到铰链441的外缘446。在打开的过程中，血液就按箭头419的方向流过瓣膜411。当然，整个流动过程与心脏各心室的一个心动周期相符。在一个心动周期的结束，心房舒张时，更多的血液从心房流入瓣体内，这样来自左动脉的反压力就使得瓣叶415绕轴摆向如图4c所示的闭合位置。

侧突432底部的末端433的曲率直径界定了每个瓣叶415配合时的旋转轴，瓣叶415的弧形部分——圆柱状的主边缘431与通道417的内壁紧密相连，这样就封住了通道417的外部区域。此时，侧突432也贴在与之相仿的铰链441的内缘447上，两个瓣叶415的次边缘面429也很好的连在一起，从而关闭了通道417中间血液可以通过的部分。在铰链441和引导瓣叶旋转的部分都有足够的公差盈余，以保证瓣叶两侧边缘的良好密封性。因为在瓣叶415完全封闭瓣膜411以前，侧突432并没有到达内侧直边缘447，从而减少了这一区域的磨损。

支撑部421的内侧面451是一平面，且与圆柱状内侧面425相切。当瓣叶425绕轴旋转时，在其侧突432与次边缘429之间的一个平直小面452紧贴着与之相邻的内侧面451运动。这种均衡的配合，保证了瓣叶415和支撑部421之间良好的密封性。

上面所述的模型，其圆柱形的通道417内除了两个光整的瓣叶415以外，没有其它物体的阻碍，从而保证了极好的血液通量。它全部的内表面都可以被通过的血液冲洗，而且它的设计简单，易于制作。瓣膜411的引导瓣叶绕轴旋转的部分设计成三角形的铰链441，从而可以在磨擦最小的状态下很好的控制瓣叶的运动，而且也避免了在使用过程中，瓣叶415被粘住。与瓣叶415的弧形主边缘431一样瓣叶415的侧突432上的磨损也是均匀地分布的，这样就不会影响瓣膜411的工作性能。

正如前面所提到的图4a-d中所示的首选瓣膜411模型，它的支撑部421的面451与内侧面425相切，从而保证了血流的畅通。另一种可选的瓣膜模型411′如图4g-i所示，其中加入了一个缝合孔上沿，这样瓣膜可以直接缝合到组织上。这种方式可以替代以前瓣膜中常用的缝合环。因此有效瓣口面积可以提高30％到50％。图4j和图4k中所示是另一种对称蝴蝶结铰链的瓣膜411″。图4l和图4m中所示是另一种非对称蝴蝶结铰链的瓣膜411。在瓣膜411，411′，411″和411中各部分的设计原理，可以重新组合，从而设计出其它形式的瓣膜，如图4n-4q中所示。图4n是一种具有打通的对称蝴蝶结形铰链结构的双叶瓣膜的铰链区的剖视图。图4o是一种具有平底的对称蝴蝶结形铰链结构的双叶瓣膜的铰链区的剖视图图4p是一种对称的沿蝴蝶结边缘一半打通另一半为圆底的铰链结构的双叶瓣膜的铰链区的三维视图。图4n是一种打通的对称蝴蝶结形铰链结构的双叶瓣膜的铰链区的剖视图图4o是一种具有平底的(未打通的)对称蝴蝶结形铰链结构的双叶瓣膜的铰链区的剖视图。图4p是一种一半打通另一半为球面底的对称的蝴蝶结形铰链结构的双叶瓣膜的铰链区的三维视图。图4q是一种一半打通另一半为平底的(未打通的)对称的蝴蝶结形铰链结构的双叶瓣膜的铰链区的剖面视图。图4r是一种不打通的球面底的对称的蝴蝶结形铰链结构的双叶瓣膜的铰链区的剖面视图。图4s是一种打通的凸起的球面底的对称的蝴蝶结形铰链结构的双叶瓣膜的铰链区的三维视图。

图5a和5b表示的是一个典型的三叶心脏瓣膜模型510在打开和关闭时的状态。人工瓣膜510包括一个环形瓣体512，它的内则面514和外则面516通常都都是圆柱形。这种机械心脏瓣膜通过一个缝合环与心脏缝合在一起。因为关于缝合环的连接方式是众所周知的，本说明书里也就不必对其进行过多的阐述。这种环形瓣体的逆流边缘518大都是平整光滑的，而它的顺流边缘却是曲线形的，以形成三个在环形瓣体上按相互之间等距的方式分布的凸起部分，其上支撑着转轴结构522，524，526(图5c)。而瓣叶528，530，532(图5b)正是通过这些转轴结构转动的，对此下面将进行充分的展开论述。所有的瓣叶528，530，532都是相同的，本人将仅以图5c和5d中所示的瓣叶528做为参照来对它们进行说明。瓣叶528包括一个平面556，它的中枢顶点558也是所有三个瓣叶的交会点(图5d)，它们实际的交会角，如图5a所示，是由瓣叶在闭合位置时的所选取的角度决定的。瓣叶528与环形瓣体512相邻的内则面514的交会边缘564是一曲线。因为在闭合时，瓣叶与环状瓣体的内壁不是垂直的，所以边缘564是椭圆形而非圆形。每个瓣叶都有两个侧突570-572。而且与图4中所述的双叶瓣膜相类似，侧突既保证了瓣叶被卡在三角形的铰链540，542中，又使得在瓣膜的打开和闭合的过程中，瓣叶随着一起旋转。在打开的位置，三角形铰链的内壁使得瓣叶停止下来。在闭合位置，瓣叶的前缘和瓣膜支架的内壁的曲边同时使得瓣叶停止下来。

图5e和5f表示了这种瓣膜的闭合状态，其中的点画线511-515表示了瓣膜在打开时，三个瓣叶所在的位置。与图3和图4中介绍的转轴结构相类似，因而我们也就可以很好理解图5g和5h中所示的结构了。每一个转轴结构，以526为例，有两个相互成一定角度的壁534，536，它们的交线538与环形瓣体512的轴线平行。在面534和536上，各有一个铰链540和542，它们起着支撑瓣叶的作用(上面已做了详细说明)。铰链540和542邻近交线538并逐渐远离而凹陷下去。此外，还有如图5i-5l中所示的带有缝合环的以及图5m和5n中具有对称和非对称蝴蝶结铰链的，等多种瓣膜模型。本发明可以通过采用图4n-4s中所示的不同的铰链结构来实现不同的瓣膜模型，而无需改变其根本特性和设计思路。因此，本人的这项发明，包括附加权利要求以及所有通过与附加权利要求相等同的方法所得到瓣膜模型，而不仅限于上面的陈述，制作程序：

图6中所示的是球形瓣膜的制作程序(注：图6仅是一个简单的示意图，在实际的设计中，需要考虑接触面之间以及冲洗空间的光滑过渡，见图1)。在石墨上涂上一层纳米级工程热解碳形成球体613，并通过机械加工对其进行抛光处理。抛光后，每个小球状通过模压的方法被嵌入到一个十字形石墨材料的或碳材料的模芯615里。将其放入反应器，在裸露的石墨芯上形成厚厚的一层纳米级材料，然后将三个端头切去。由于石墨要比热解碳松软，用高压水流将里面的石墨冲走，这样，最终的设备617就制作完成了。它由一个热解碳管及嵌入其内部的具有热解碳涂层的小球组成，构成了一个血液可以单向地从底部向手臂状两侧流动的瓣膜。通过集中机械加工对其外表面进行抛光处理，并通过研磨浆对内表面进行抛光处理，直到做为一个心脏瓣膜各部分所需达到的要求。

图7是球形瓣膜的制作流程图。同样，图2中的单叶瓣膜可以按图8中所示的方法制作。首先，按设计说明书做好有两个侧突的扁平圆碟811(其侧视图如811′所示)。圆碟可以由纯热解碳做成，也可以在小石墨片或下面章节中所描述的合成材料基片上加上热解碳涂层而做成。然后将其嵌入碳材料中并通过模压的方法形成模芯813，再在模芯上形成厚厚的一层(超过0.1mm)热解碳或下面章节中所描述的纳米碳，从而形成瓣体815。最后，除去里面松软的碳，一个碟形瓣叶的单叶瓣膜815就做好了。同样，还要进行表面的抛光，以及其它的各种检测和测试等步骤。

基片的制作在本发明中，基片是通过模压成形的方法制作的。将石墨粉或碳粉(10-80％)与工业用切碎的碳纤维或纳米碳纤维(10-82％)以及有机粘合剂混合在一起。粘合剂是诸于苯酚树脂一类的热固性聚合物。常规的模压成形法可以用于制作初级的基片体初胚。然后，还需要在惰性气体保护下，对其进行碳化或石墨化，以形成最终的基片。其间，必须考虑到在高温处理过程中，基片的外形大小会发生改变。此外，基片还掺入了重量比为5-10％的高密度，难熔，不透射线的金属，如钨，钽等。在高温涂膜的过程中，这些掺入的金属具有良好的稳定性。而且，在植入后，对瓣膜进行X射线检查时，这些掺入的金属可以提高图像的对比度。

生成纳米材料本发明中提出了一种制造纳米结构的工程用生物材料(纳米级工程生物材料)的方法。图9说明了制造这种纳米级工程生物材料的过程及所需设备。它由以下几个子系统组成：a，生产气体的混合和传送系统。

b，反应器设备，加热和控制系统。

c，媒介回收和颗粒供给系统。

d，催化剂导入系统。

e，废气的控制和处理系统丙烷(C3H8)以其碳含量高，价格低廉，来源充足且易于控制的特点，从而被做为碳的主要原料。丙烷管道913表示所使用的丙烷(40磅，纯度为95％，剩下的为其它的烷烃和少量的有机化合物)。氮气(N2)管道912表示用做稀释的气体氮(N2)。在整个过程中，每个周期都要消耗大量的氮(混合气体的流量为10到100L/Min)，所以通常使用工业用液态氮(纯度为99.9％的700磅的储存灌，可容纳大约30,000L氮气)。丙烷(C3H8)和氮气(N2)都是由独立的模块——流量控制器915，917来控制的(这种Davis控制设备，在室温下，可以将气体流量控制在0-50L/Min的范围内，其误差仅为0.5％)。流量控制器模块可以设定每个周期中气体的组成比例和气体的总流量。此外，在反应器的升温和冷却过程中，通过表盘919的显示，氮气还可以用来净化整个系统，并在反应时控制媒介从反应器里的回收，同时可以控制(通过形成泡沫，将在催化剂的介绍一节里进行说明)催化剂并将其送入反应器内。

该系统中还有一个定做的高温电炉931，它最高可以工作到1600℃。其最大功率为20KW，正常工作电压为240V(交流电)，发热元件由8根硅碳棒串联在一起组成。它可在30分钟内加热，将室温升高到系统的反应温度——1300℃。通过一个双反馈数字控制器921，可以将温度的波动控制在1.0℃的范围内。

反应管935可以由石墨或石英做成(也可用陶瓷来做)。反应管的直径为75mm，壁厚2.5mm。其底部为漏斗状，漏斗开口处的夹角为40-60度，下面连接着一个外径(OD)为10mm内径(ID)为6mm的细管。这根细管与从流量控制器出来的生产气体管道相接。这样，由于入口的直径非常小，在发生反应的过程中，从反应器底部进来的气体处于高速喷射的状态，就使得位于反应器的反应室里的媒介和零件处于不断的运动中，因而，所有零件的各个表面和媒介颗粒上都可以发生碳沉积作用。

在整个加工过程中，碳可以沉积到全部的媒介颗粒和零部件的所有表面。因此，随着时间的推移，媒介颗粒的体积将会增大，同时随着全部零部件和媒介颗粒的增长，其总面积也会增大。为了保持加工条件的持续协调和良好特性，必须从反应器底部927处的侧口(一个始终用氮气保持净化的密封容器与之相连)将较大的碳媒介颗粒回收。通过螺旋阀门设定氮气的压力，从而控制回收量的大小。与此同时，从反应器上部的入口923处以恒定的速率(0.5g/min)不断地补充较小的碳颗粒，从而保持整个反应层里媒介总量与总表面积之间的平衡。

为了使纳米碳纤维在这个过程中也同时沉积，采用Fe(CO)5(99.5％from Aldrich)做为催化剂。其原因有二：一，它的成本低，二它与热解碳的加工温度相同，这样可生成高品质的涂层。催化液通过氮气产生泡沫，从而形成生产气流。通过设定标准刻度控制承载气体的流速，使得催化剂的传送速度保持在0.1到4ml/min之间。

在整个反应中，丙烷里50％的碳元素被转换成固态碳，剩下的转换成了碳黑和碳氢化合物。此外氢也是副产品之一。因此，在废气中主要有氮，氢，多种碳氢化合物和碳黑(煤烟)。在被送入高温过滤器之前，要对这些废气进行燃烧处理(或回收H2用于其它应用)。

我们对反应器进行预加热，以达到一个理想的温度，同时，N2从液态储氮罐里平稳的进入，从而使反应层的物质(150-300g)——来自上一反应周期的颗粒——得到筛选(颗粒的大小在300-800微米之间)且处于悬浮状态。从液态储存罐里出来的丙烷(C3H8)以及起淡化作用的氮气(N2)是由两个独立的模块——流量控制器来进行调节的。进气口的压力保持在30Psi，并用一个电子仪对丙烷的含量进监控。当反应器达到预期的温度后，就可以导入混合气体(气体的浓度是由所设计的实验决定的)。一旦达到了反应所需的时间，整个反应停止，将反应器冷却到室温后并被拆开以取出我们所需的产品。因为，所生产样品的密度对其机械力学特性的影响非常大，所以评价这种生产过程的首要检测项就是样品的密度。此外，还要检测样品的尺寸大小及其重量，留在反应器里的碳媒介的重量(亦即流动层的颗粒大小)和回收的碳媒介重量。

所有热解碳样品的密度非常接近，几乎找不到纯热解碳和纳米碳纤维增强的热解碳之间的差别。而且用这些材料制成的样品，其密度比用高质量的C-C和POCO石墨做成的还要高20％(虽然这种POCO石墨是最高等级的，在我们的实验中也是用其来做基片)。正如本说明书前面所论述的，我们所制成的样品，其晶粒的大小在3-4纳米范围内。此外，所有热解碳样品中，几乎没有任何不同。与此相比，对照样本——C-C材料的样品和POCO石墨基片，都有大小超过几十纳米的晶粒。

在这些样品中，其硬度的差别非常大：对照样本——C-C材料的样品，其硬度均低于80维(Vicker维氏金刚石硬度值)。此外，因其多孔特性，该样品具有从30维到80维各不相同的硬度值。而在前面关于试验的章节里所叙述的，通过传统的边缘裂纹法检测，纯热解碳和纳米碳纤维增强的热解碳材料的样品的硬度没有明显的不同。

此外，在本发明中，由于在材料中结合了纳米碳纤维，使得瓣膜涂层的机械强度大大增加，同时也进一步增加了这种材料的生物亲和性。血液和碳表面的相互作用主要是由这种碳材料的表层决定的。而传统的碳材料，它的基本结构是石墨样层状的，这样它的基面就会嵌入到血流中，从而使它边缘上的点增加了血细胞的活化作用(activation)。通过对加工参数的设定，可以生产出具有各种不同特性和形态的碳产品，如薄片状的，粒状的以及各向同性的。目前最先进的人工心脏瓣膜中所用的低温各向同性热解碳，是指纳米级的石墨化域内的任意方向，在微米的范围内是各向同性的。图10a显示了这种各向同性热解碳的纳米结构。它与血细胞间存在较强的相互作用，从而要求植入这种机械心脏瓣膜的患者终终生服用一些血液稀释方面的药物。

但在本发明中，沉积在心脏瓣膜各组件表层的是一种纳米级的工程热解碳，它所有的石墨化区域都是整齐地成行排列的，如图10b，所示，通过对涂膜参数的控制，使得表面都由石墨基面组成，这样，最终产品的表面就与整齐排列的石墨面平行。这可以通过降低气体(丙烷)含量，增加表面积和相对较低的温度下来达到。例如，在我们的加工过程中，若其它的参数固定不变，加工温度为1300℃，丙烷含量为20％或稍多一些，这样形成的就是微观上各向同性的碳，其表面看起来粗糙而且发暗。但是，如果，把温度设为900到1200℃，稀释气体中氮气的含量低于20％，那么得到的碳表面就是平整的，光亮的，金属样的一整束。在产品的生产过程中，按程控方式设定涂膜参数，以形成特殊的涂层结构，从而达到最好的机械和生物特性。

在这种涂层材料的首选实现体中，涂层的形成应沿其深度方向现时不同。这可以通过对涂膜过程中的涂膜参数——温度，气体组成和反应层的表面积(媒介的大小和重量)——的改变来实现。例如，在涂层与基片的接触部位，两者间相对的表面紧密接触并相匹配，这一特性使得这两个表面间的残余应力最小且连接性最好。涂层的中间层加入了纳米碳纤维，不仅增强了机械强度而且阻止了龟裂的形成和漫延。人工瓣膜的表面层是按纳米级结构形成的。其方法是，通过控制涂膜参数，所有的石墨化区域都是整齐地成行排列的，使得表面都由石墨基面组成，这样，最终产品的表面就是由这些平行的整齐排列的石墨基面区组成。因此，血液在最终产品表面的活化作用(activation)被大大的减弱甚至完全消除。例于图11是一个抛光后瓣叶结构的横截面光学显微图片，它包括碳纤维增强的石墨基片，纳米碳纤维增强的涂膜内层和整齐排列的纳米碳外层。

虽然本发明已经以首选的模型为例做了充分地阐述。而且，对发明者来说，该模型是目前所知的最好的实现其发明的方式。但同时应该指出的是，对于一个具有本领域最基本知识的人来说，在没有超出本发明范围的情况下，可以很容易进行一些改变和修正，所以关于这些都被列入了下面的权利要求书之中。尤其是，虽然制作瓣体和瓣叶的最好选择是有热解碳涂层的石墨结构，但是它们也完全可以全部由纯热解碳或其它合适的生物材料做成。虽然弧形的瓣体内壁的横截面更适宜于是一个完整的环形，这样，瓣叶处于打开位置时，通过瓣膜的流量达到最大，但是，在其合适的位置隆起浅的凸起，与瓣叶的规则边缘啮合。而且，所有这些可选用的瓣膜设计方案都应如此，这样，在瓣叶的线性边缘和瓣体的内壁间的啮合都会是线性接合的。虽然附图仅列出了扁平的瓣叶，但瓣叶可以是简单的或复杂的曲形(弧形)结构，如有需要，可以参阅上文提到的美国专利中的相关文章。