kpcczКомплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеванийComplex Issues of Cardiovascular Diseases2306-12782587-9537Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”10.17802/2306-1278-2026-15-4-185-195kpccz-1882Research ArticleОНЛАЙН. ОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. Трансплантология и искусственные органыМОДЕЛИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ РАЗДВИЖНОГО ПРОТЕЗА КЛАПАНА СЕРДЦАMODELING THE DESIGN OF THE EXPANDABLE HEART VALVE PROSTHESIShttps://orcid.org/0000-0003-3211-1250КлышниковКирилл ЮрьевичKlyshnikovKirill Yu.

кандидат медицинских наук научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

PhD, Senior Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

https://orcid.org/0000-0003-2404-2873ОнищенкоПавел СергеевичOnishchenkoPavel S.

младший научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

Junior Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

https://orcid.org/0000-0001-5669-8696МитрофановаКристина СергеевнаMitrofanovaKristina S.

кандидат технических наук инженер-исследователь лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

PhD, Research Engineer at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

https://orcid.org/0000-0003-4890-0393ГлушковаТатьяна ВладимировнаGlushkovaTatyana V.

кандидат биологических наук старший научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

PhD, Senior Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

https://orcid.org/0000-0001-6099-0315КостюнинАлександр ЕвгеньевичKostyuninAlexander E.

кандидат биологических наук научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

PhD, Senior Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

https://orcid.org/0000-0002-0033-9376АкентьеваТатьяна НиколаевнаAkentyevaTatyana N.

младший научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

Junior Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

t.akentyeva@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0008-7392-2344ФокееваМарина ПавловнаFokeevaMarina P.

младший научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

Junior Researcher at the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

https://orcid.org/0000-0001-7477-3979ОвчаренкоЕвгений АндреевичOvcharenkoEvgeny A.

кандидат технических наук заведующий лабораторией новых биоматериалов отдела экспериментальной медицины федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово, Российская Федерация

PhD, Head of the Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine, Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”, Kemerovo, Russian Federation

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний»РоссияFederal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”Russian Federation202604092026154185195Copyright © Клышников К.Ю., Онищенко П.С., Митрофанова К.С., Глушкова Т.В., Костюнин А.Е., Акентьева Т.Н., Фокеева М.П., Овчаренко Е.А., 20262026Клышников К.Ю., Онищенко П.С., Митрофанова К.С., Глушкова Т.В., Костюнин А.Е., Акентьева Т.Н., Фокеева М.П., Овчаренко Е.А.Klyshnikov K.Y., Onishchenko P.S., Mitrofanova K.S., Glushkova T.V., Kostyunin A.E., Akentyeva T.N., Fokeeva M.P., Ovcharenko E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nii-kpssz.com/jour/article/view/1882Основные положения

Основные положения

● Численное моделирование показало, что опорные каркасы с заранее заданными зонами контролируемой деформации способны предсказуемо увеличивать диаметр при баллонной дилатации за счет локализованной пластической деформации и разрушения.

● Геометрия зоны деформации, в частности число изгибов, определяет характер распределения напряжений и позволяет управлять выраженностью и локализацией разрушения каркаса.

● Требуемые радиальные силы для расширения предложенных каркасов существенно ниже, чем для разрушения традиционных хирургических биопротезов, что подтверждает клиническую реализуемость конструкции.

 

 

Цель

Цель. Оценить возможность контролируемого увеличения диаметра опорного каркаса протеза клапана сердца за счет заранее спроектированных зон деформации с использованием численного моделирования методом конечных элементов.

Материал и методы

Материал и методы. Объектом исследования стали три трехмерные модели опорных каркасов протеза клапана сердца с зонами контролируемой деформации, различающиеся числом изгибов (1, 3 и 5). Численное моделирование баллонной дилатации проводили в среде Abaqus/CAE. Расширение каркасов осуществляли на 2 мм по радиусу с последующим снятием нагрузки для оценки выраженности эффекта рекойла. Материал каркаса моделировали как нержавеющую сталь 316LVM с учетом пластических свойств. Анализировали напряжения по Мизесу, пластическую деформацию, изменение наружного диаметра, рекойл и радиальные силы.

Результаты

Результаты. Для всех вариантов каркасов выявлена локализация максимальных напряжений и пластической деформации в извитых зонах, где напряжения превышали предел текучести и прочности материала. Это указывает на возможность контролируемого разрушения или необратимой деформации при дилатации. Увеличение числа изгибов приводило к снижению выраженности локальных зон разрушения и более равномерному распределению напряжений. Рекойл после снятия нагрузки составил 0,31 % для всех моделей. Радиальные силы, необходимые для расширения каркасов, находились в диапазоне 287–354 Н (2,8–3,5 атм.).

Заключение

Заключение. Численное моделирование подтверждает реализуемость концепции раздвижного опорного каркаса протеза клапана сердца с зонами контролируемой деформации, обеспечивающей увеличение диаметра при умеренных дилатационных нагрузках.

Highlights

Highlights

● Numerical modeling demonstrated that support frames with predefined zones of controlled deformation are capable of predictably increasing in diameter during balloon dilation through localized plastic deformation and fracture.

● The geometry of the deformation zone – specifically the number of bends – determines the stress distribution pattern and allows for control over the extent and localization of frame fracture.

● The radial forces required to expand the proposed frames are significantly lower than those required to fracture traditional surgical bioprostheses, confirming the clinical feasibility of the design.

 

 

Aim

Aim. To evaluate the feasibility of controlled diameter expansion of a heart valve prosthesis support frame using predefined deformation zones by means of finite element numerical modeling.

Methods

Methods. Three three-dimensional models of heart valve prosthesis support frames with controlled deformation zones were investigated, differing in the number of bends (1, 3, and 5). Balloon dilation was simulated in Abaqus/CAE using the finite element method. The frames were radially expanded by 2 mm followed by load removal to assess elastic recoil. The frame material was modeled as 316LVM stainless steel with elastic–plastic properties. Von Mises stress, plastic strain, outer diameter change, recoil, and radial force were analyzed.

Results

Results. All frame variants demonstrated localization of maximum stresses and plastic deformation in the curved deformation zones, where stresses exceeded the yield and ultimate strength limits. This indicates the possibility of controlled fracture or irreversible deformation during dilation. An increase in the number of bends resulted in a more uniform stress distribution and reduced severity of local damage. Elastic recoil after load removal was 0.31% for all models. The required radial forces ranged from 287 to 354 N (2.8–3.5 atm).

Conclusion

Conclusion. Finite element modeling confirms the feasibility of an expandable heart valve prosthesis support frame with controlled deformation zones, enabling diameter enlargement under moderate balloon dilation pressures.

Протез клапана сердцаЧисленное моделированиеМетод конечных элементовПротез-в-протезКонтролируемая деформацияHeart valve prosthesisNumerical modelingFinite element methodValve-in-valveControlled deformationРабота выполнена в рамках проекта № 0419-2026-0003 «Разработка технологии проектирования и изготовления хирургического каркасного протеза клапана сердца, совместимого с малоинвазивными технологиями повторного протезирования» (научный руководитель – Е.А. Овчаренко).ReferencesГанюков В.И., Тарасов Р.С., Верещагин И.Е., Кочергин Н.А., Стасев А.Н., Нагирняк О.А., Барбараш Л.С. Транскатетерная имплантация аортального клапана и открытая хирургия аортального порока: сравнительная оценка результатов. Евразийский кардиологический журнал. 2018, Ноябрь 25; 4: 4-11Ganyukov V.I., Tarasov R.S., Vereshchagin I.E., Kochergin N.A., Stasev A.N., Nagirnyak O.A., Barbarash L.S. Transcatheter aortic valve implantation and open aortic surgery: comparative assessment of results. Eurasian heart journal. 2018, November 25; 4:12-18 (In Russ)Ганюков В.И., Тарасов Р.С., Колесников А.Ю., Ганюков И.В. Транскатетерная имплантация аортального клапана: от идеи до внедрения. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2024; 13(1): 152–164. doi:10.17802/2306-1278-2024-13-1-152-164Ganyukov V.I., Tarasov R.S., Kolesnikov A.Yu., Ganyukov I.V. Transcatheter aortic valve replacement: from idea to implementation. Complex Issues of Cardiovascular Diseases. 2024; 13(1): 152–164 (In Russ). doi:10.17802/2306-1278-2024-13-1-152-164Ганюков В.И., Шлойдо Е.А., Тарасов Р.С., Рогулина Н.В., Халивопуло И.К., Ганюков И.В., Кочергина А.М., Сизова И.Н., Барбараш Л.С. Транссептальная транскатетерная имплантация биопротеза по методике «клапан-в-клапан» при дисфункции биологического протеза в митральной позиции: первый опыт. Патология кровообращения и кардиохирургия. 2020; 24(1): 94–103. doi:10.21688/1681-3472-2020-1-94-103Ganyukov V.I., Shloido E.A., Tarasov R.S., Rogulina N.V., Khalivopulo I.K., Ganyukov I.V., Kochergina A.M., Sizova I.N., Barbarash L.S. Transseptal transcatheter valve-in-valve implantation for failed surgical mitral bioprosthesis: the first clinical experience. Patologiya krovoobrashcheniya i kardiokhirurgiya = Circulation Pathology and Cardiac Surgery. 2020; 24(1): 94 103. (In Russ). doi:10.21688/1681-3472-2020-1-94-103Тарасов Р.С., Имаев Т.Э., Ганюков В.И., Рутковская Н.В., Одаренко Ю.Н., Барбараш Л.С. Транскатетерная реимплантация биопротеза клапана сердца пациенту с критической аортальной недостаточностью спустя 32 года после первичного протезирования. Грудная и сердечно-сосудистая хирургия. 2018; 60(2): 160–166. doi:10.24022/0236-2791-2018-60-2-160-166Tarasov R.S., Imaev T.E., Ganyukov V.I., Rutkovskaya N.V., Odarenko Yu.N., Barbarash L.S. Transcatheter reimplantation of bioprosthesis of the heart valve to a patient with critical aortal insufficiency later for 32 years after primary prosthetics. Russian Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 2018; 60(2): 160–166 (In Russ). doi:10.24022/0236-2791-2018-60-2-160-166Cao D., Albani S., Gall E., Hovasse T., Unterseeh T., Seknadji P., Champagne S., Garot P., Sayah N., Akodad M. Aortic Valve-in-Valve Procedures: Challenges and Future Directions. Journal of Clinical Medicine. 2024; 13(16): 4723. doi:10.3390/jcm13164723Cao D., Albani S., Gall E., Hovasse T., Unterseeh T., Seknadji P., Champagne S., Garot P., Sayah N., Akodad M. Aortic Valve-in-Valve Procedures: Challenges and Future Directions. Journal of Clinical Medicine. 2024; 13(16): 4723. doi:10.3390/jcm13164723Shahanavaz S., Asnes J.D., Grohmann J., Qureshi A.M., Rome J.J., Tanase D., Crystal M.A., Latson L.A., Morray B.H., Hellenbrand W., Balzer D.T., Gewillig M., Love J.C., Berdjis F., Gillespie M.J., McElhinney D.B. Intentional Fracture of Bioprosthetic Valve Frames in Patients Undergoing Valve-in-Valve Transcatheter Pulmonary Valve Replacement. Circulation: Cardiovascular Interventions. 2018; 11(8). doi:10.1161/CIRCINTERVENTIONS.118.006453Shahanavaz S., Asnes J.D., Grohmann J., Qureshi A.M., Rome J.J., Tanase D., Crystal M.A., Latson L.A., Morray B.H., Hellenbrand W., Balzer D.T., Gewillig M., Love J.C., Berdjis F., Gillespie M.J., McElhinney D.B. Intentional Fracture of Bioprosthetic Valve Frames in Patients Undergoing Valve-in-Valve Transcatheter Pulmonary Valve Replacement. Circulation: Cardiovascular Interventions. 2018; 11(8). doi:10.1161/CIRCINTERVENTIONS.118.006453Chhatriwalla A.K., Allen K.B., Saxon J.T., Cohen D.J., Aggarwal S., Hart A.J., Baron S.J., Dvir D., Borkon A.M. Bioprosthetic Valve Fracture Improves the Hemodynamic Results of Valve-in-Valve Transcatheter Aortic Valve Replacement. Circulation: Cardiovascular Interventions. 2017; 10(7). doi:10.1161/CIRCINTERVENTIONS.117.005216Chhatriwalla A.K., Allen K.B., Saxon J.T., Cohen D.J., Aggarwal S., Hart A.J., Baron S.J., Dvir D., Borkon A.M. Bioprosthetic Valve Fracture Improves the Hemodynamic Results of Valve-in-Valve Transcatheter Aortic Valve Replacement. Circulation: Cardiovascular Interventions. 2017; 10(7). doi:10.1161/CIRCINTERVENTIONS.117.005216Nielsen-Kudsk J.E., Andersen A., Therkelsen C.J., Christensen E.H., Jensen K.T., Krusell L.R., Tang M., Terp K.A., Klaaborg K.-E., Greisen J.R., Nørgaard B.L., Andersen H.R. High-pressure balloon fracturing of small dysfunctional Mitroflow bioprostheses facilitates transcatheter aortic valve-in-valve implantation. EuroIntervention. 2017; 13(9): e1020–e1025. doi:10.4244/EIJ-D-17-00244Nielsen-Kudsk J.E., Andersen A., Therkelsen C.J., Christensen E.H., Jensen K.T., Krusell L.R., Tang M., Terp K.A., Klaaborg K.-E., Greisen J.R., Nørgaard B.L., Andersen H.R. High-pressure balloon fracturing of small dysfunctional Mitroflow bioprostheses facilitates transcatheter aortic valve-in-valve implantation. EuroIntervention. 2017; 13(9): e1020–e1025. doi:10.4244/EIJ-D-17-00244Johansen P., Engholt H., Tang M., Nybo R., Rasmussen P., Nielsen-Kudsk J.E. Fracturing mechanics before valve-in-valve therapy of small aortic bioprosthetic heart valves. EuroIntervention. 2017; 13(9): e1026–e1031. doi:10.4244/EIJ-D-17-00245Johansen P., Engholt H., Tang M., Nybo R., Rasmussen P., Nielsen-Kudsk J.E. Fracturing mechanics before valve-in-valve therapy of small aortic bioprosthetic heart valves. EuroIntervention. 2017; 13(9): e1026–e1031. doi:10.4244/EIJ-D-17-00245Allen K.B., Chhatriwalla A.K., Cohen D.J., Saxon J.T., Aggarwal S., Hart A., Baron S., Davis J.R., Pak A.F., Dvir D., Borkon A.M. Bioprosthetic Valve Fracture to Facilitate Transcatheter Valve-in-Valve Implantation. The Annals of Thoracic Surgery. 2017; 104(5): 1501–1508. doi:10.1016/j.athoracsur.2017.04.007Allen K.B., Chhatriwalla A.K., Cohen D.J., Saxon J.T., Aggarwal S., Hart A., Baron S., Davis J.R., Pak A.F., Dvir D., Borkon A.M. Bioprosthetic Valve Fracture to Facilitate Transcatheter Valve-in-Valve Implantation. The Annals of Thoracic Surgery. 2017; 104(5): 1501–1508. doi:10.1016/j.athoracsur.2017.04.007Simonato M., Palma J.H., Alirhayim Z., Guddeti R., Kaneko T., Garcia S. The Essential Aortic Valve-in-Valve Transcatheter Aortic Valve Replacement Update: Procedural Strategies and Current Clinical Results. Structural Heart. 2025; 9(3): 100318. doi:10.1016/j.shj.2024.100318Simonato M., Palma J.H., Alirhayim Z., Guddeti R., Kaneko T., Garcia S. The Essential Aortic Valve-in-Valve Transcatheter Aortic Valve Replacement Update: Procedural Strategies and Current Clinical Results. Structural Heart. 2025; 9(3): 100318. doi:10.1016/j.shj.2024.100318Chung V., Da-Yu Chang, Brian, S. Conklin, Grace Myong Kim, Louis A. Campbell, Donald E. Bobo Jr., Myron Howanec Jr., David S. Lin, Peng Norasing, Francis M. Tran, Mark Van Nest, Thomas H. Chien, Harvey H. Chen, Isidro L. Guerrero, Derrick Johnson, Paul A. Schmidt, inventor; Edwards lifesciences corporation, Irvine , assignee. One-piece heart valve stents adapted for post-implant expansion.Chung V., Da-Yu Chang, Brian, S. Conklin, Grace Myong Kim, Louis A. Campbell, Donald E. Bobo Jr., Myron Howanec Jr., David S. Lin, Peng Norasing, Francis M. Tran, Mark Van Nest, Thomas H. Chien, Harvey H. Chen, Isidro L. Guerrero, Derrick Johnson, Paul A. Schmidt, inventor; Edwards lifesciences corporation, Irvine , assignee. One-piece heart valve stents adapted for post-implant expansion.United States patent US 10,543,085 B2. 2020 Jan 28.United States patent US 10,543,085 B2. 2020 Jan 28.Schievano S., Capelli C., Cosentino D., Bosi G., Taylor A. Finite Element Analysis to Study Percutaneous Heart Valves. Finite Element Analysis - From Biomedical Applications to Industrial Developments. InTech; 2012. doi:10.5772/38701Schievano S., Capelli C., Cosentino D., Bosi G., Taylor A. Finite Element Analysis to Study Percutaneous Heart Valves. Finite Element Analysis - From Biomedical Applications to Industrial Developments. InTech; 2012. doi:10.5772/38701Duczek S., Gabbert U. Fundamental Principles of the Finite Element Method. 2018. pp. 63–90. doi:10.1007/978-3-319-49715-0_4Duczek S., Gabbert U. Fundamental Principles of the Finite Element Method. 2018. pp. 63–90. doi:10.1007/978-3-319-49715-0_4Cicciù M. Bioengineering Methods of Analysis and Medical Devices: A Current Trends and State of the Art. Materials. 2020; 13(3): 797. doi:10.3390/ma13030797Cicciù M. Bioengineering Methods of Analysis and Medical Devices: A Current Trends and State of the Art. Materials. 2020; 13(3): 797. doi:10.3390/ma13030797Driscoll M. The Impact of the Finite Element Method on Medical Device Design. Journal of Medical and Biological Engineering. 2019; 39(2): 171–172. doi:10.1007/s40846-018-0428-4Driscoll M. The Impact of the Finite Element Method on Medical Device Design. Journal of Medical and Biological Engineering. 2019; 39(2): 171–172. doi:10.1007/s40846-018-0428-4Sirset-Becker T., Clark A., Flaherty J.D., Mehta C.K., Allen B.D., McCarthy P.M., Pham D.T., Churyla A., Dasi L.P., Malaisrie S.C. Modeling of valve-in-valve transcatheter aortic valve implantation after aortic root replacement using a 3-dimensional artificial intelligence algorithm. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 2025; 169(6): 1684-1693.e3. doi:10.1016/j.jtcvs.2024.06.024Sirset-Becker T., Clark A., Flaherty J.D., Mehta C.K., Allen B.D., McCarthy P.M., Pham D.T., Churyla A., Dasi L.P., Malaisrie S.C. Modeling of valve-in-valve transcatheter aortic valve implantation after aortic root replacement using a 3-dimensional artificial intelligence algorithm. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 2025; 169(6): 1684-1693.e3. doi:10.1016/j.jtcvs.2024.06.024Kung E.O., Les A.S., Medina F., Wicker R.B., McConnell M. V., Taylor C.A. In vitro validation of finite-element model of AAA hemodynamics incorporating realistic outlet boundary conditions. Journal of biomechanical engineering. United States; 2011; 133(4): 41003. doi:10.1115/1.4003526Kung E.O., Les A.S., Medina F., Wicker R.B., McConnell M. V., Taylor C.A. In vitro validation of finite-element model of AAA hemodynamics incorporating realistic outlet boundary conditions. Journal of biomechanical engineering. United States; 2011; 133(4): 41003. doi:10.1115/1.4003526

The authors declare that there are no conflicts of interest present.