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心脏依靠四个瓣膜，它们充当单向阀门，控制血液从心脏四个腔室流出。位于心脏两个左心腔之间的二尖瓣有两个瓣叶，或称瓣尖；三尖瓣、肺动脉瓣和主动脉瓣各有三个瓣叶。瓣叶像酒吧的旋转门一样随着每次心跳打开和关闭，维持稳定的血液供应。（据总部位于加利福尼亚州尔湾的瓣膜生产商爱德华兹生命科学公司称，一个人的心脏通常每年跳动 8000 万次，一生中跳动 50 亿到 60 亿次。）
幻灯片：过去 50 年人造心脏瓣膜的改进
正如 57 岁的喜剧演员和演员罗宾·威廉姆斯和 83 岁的前第一夫人芭芭拉·布什最近发现的那样，在许多情况下，瓣膜并非终身耐用；有些会变得渗漏。这种被称为返流性瓣膜的瓣膜，会让泵出的血液倒流回心脏。另一些瓣膜会从血液中吸收钙，最终变硬，限制血液流动（这种情况被称为狭窄）。当身体没有获得足够的血液时，人可能会出现呼吸短促等症状。主动脉瓣和二尖瓣最常需要治疗。纽约大学医学院心胸外科教授兼心脏外科研究主任尤金·格罗西说，一旦出现头晕和昏厥等症状，患有未经治疗的缺陷主动脉瓣的人在六个月内死亡的几率为 50%。
这意味着对于成千上万的美国人来说，由薄如蝉翼的薄片制成的人造心脏瓣膜是健康与心力衰竭之间的唯一屏障。据总部位于多伦多的千禧研究集团（一家追踪医疗器械、制药和生物技术行业的公司）称，每年约有 14 万美国人接受瓣膜置换或修复手术。
医生们已经开发了几种天然组织的替代品，这些替代品可以调节血液流动而不会遗漏任何一次心跳。“心脏瓣膜是一种一旦植入并成功，就能为患者增加 10 或 15 年寿命的装置，”爱德华兹生命科学公司心脏瓣膜治疗副总裁唐纳德·博博说。博博说，爱德华兹——以及位于明尼苏达州圣保罗的圣犹达医疗公司和总部位于明尼阿波利斯的 Medtronic 公司——是全球人造瓣膜的主要供应商。据爱德华兹市场估计，意大利米兰的索林集团也在全球心脏瓣膜治疗市场中占有一席之地，2008 年该市场价值估计为 16 亿美元。
瓣膜技术在 1958 年起飞，当时工程师兼爱德华兹公司创始人迈尔斯“洛厄尔”·爱德华兹将其在木材行业液压剥皮方法和二战飞机燃油喷射系统设计方面的经验应用于医疗领域。通过与心胸外科医生阿尔伯特·斯塔尔合作，两人开发了一种斯塔尔可以用于其患病患者的瓣膜。外科医生于 1960 年首次植入了在爱德华兹后院工作室设计的斯塔尔-爱德华兹人造瓣膜。尽管第一位患者在接受该装置后不久去世，但第二位患者在从梯子上摔下来去世前又存活了 10 年。
佐治亚理工学院（位于亚特兰大）研究瓣膜的生物医学工程师阿吉特·约加纳坦说，在随后的几十年里，人们尝试了数十种不同的设计。“其中大多数是在某人的车库或地下室开发的。” 该技术已经从笼球设计发展到带有人工瓣叶的瓣膜、为人类使用而加工的猪瓣膜以及用牛组织手工缝制的生物瓣膜。
“所有这些瓣膜都在液压、管道、航空、汽车领域有类似物，”博博说。但人体提出了特殊的挑战。“与石油或天然气相比，血液最终成为一种非常不同的环境，”他补充道。血液中的脂质会破坏合成材料；组织瓣膜与天然瓣膜一样，也会受到磨损和钙化的影响。
约加纳坦说，“仍然有改进的空间”，例如更好的材料。他还希望看到为患有先天性心脏缺陷的儿童提供小型瓣膜。可能即将进入美国市场的下一个发展是无需开胸手术即可植入的瓣膜。