表面改性技術(shù)在心血管支架中的應(yīng)用

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2023-06-2619:27研究發(fā)現(xiàn)，金屬裸支架植入手術(shù)后較高的再狹窄率，與介入過程中血管支架嵌入血管壁造成的血管損傷有關(guān)。受損血管處發(fā)生凝血反應(yīng)和炎癥反應(yīng)，血小板在金屬裸支架表面黏附與活化，炎性細(xì)胞在損傷處聚集，血管壁損傷暴露的平滑肌細(xì)胞發(fā)生增殖，從而誘發(fā)高的再狹窄率。還有研究報道，支架材料中的鎳離子溶出也是發(fā)生支架內(nèi)再狹窄的一個誘因。因此，需要通過對心血管支架進行表面改性的方法，來降低再狹窄的發(fā)生率。

根據(jù)涂層材料的作用不同，可將支架涂層分為被動涂層和主動涂層：被動涂層指具有良好生物相容性的材料涂覆在支架表面，作為屏障以減少支架的不良作用；被動涂層的制備是通過表面防護涂層技術(shù)來實現(xiàn)的，主要包括表面鈍化、真空陰極弧放電、離子束輔助沉積/化學(xué)氣相沉積、聚甲基丙烯酸丁醋涂層等技術(shù)。主動涂層指支架涂層攜帶藥物直接抑制內(nèi)膜增生。

一、被動涂層-表面防護涂層技術(shù)

最先應(yīng)用于臨床的心血管支架為BMS，其材料為惰性金屬材料，這種金屬材料賦予心血管支架以良好的力學(xué)支撐性能。但這種惰性金屬支架將永久留存在血管壁中，成為人體的一部分。因此，服役初期金屬材料的生物相容性，以及服役過程中可能發(fā)生的金屬離子(如Ni、Cr、Co)溶出都會影響支架的臨床使用效果。為了進一步提高金屬支架的生物相容性，降低因金屬離子溶出而引發(fā)支架內(nèi)再狹窄的風(fēng)險，支架表面防護涂層技術(shù)一度成為研究的熱點。

自20世紀(jì)90年代起，發(fā)展了可提高心血管支架表面生物相容性的惰性涂層，如金、氧化銥、碳化硅、氧化鐵、碳等涂層。各種涂層的形成機制不同，需要采用不同的制備技術(shù)。

1-鈍化技術(shù)

目前臨床廣泛應(yīng)用的心血管支架材料有316L不銹鋼、L605鈷基合金和鎳鈦合金，均具有強烈的自鈍化傾向，在大氣以及大多數(shù)水環(huán)境中金屬表面會自發(fā)地生成一層致密、穩(wěn)定的鈍化膜。

這一原生鈍化層的厚度雖然僅有幾納米，卻作為防護屏障，隔絕了金屬基體與腐蝕性生物環(huán)境，從而賦予金屬材料優(yōu)異的生物相容性。

多數(shù)人認(rèn)為醫(yī)用金屬材料的生物相容性主要由其表面原生氧化層的性質(zhì)所決定，例如，氧化層的組成、厚度、結(jié)構(gòu)、均勻性、缺陷濃度等因素會影響原生鈍化膜中離子傳輸以及鈍化膜在不同環(huán)境中的穩(wěn)定性，而且這些因素還會相互影響。

316L不銹鋼由于具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，令人滿意的生物相容性以及低廉的價格等綜合優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于制造植入類醫(yī)療器械，也是應(yīng)用于支架金屬平臺的材料，通常采用熱處理、電化學(xué)處理和鈍化的方法來改變316L不銹鋼的表面性能。其中鈍化是一種簡便易行的不銹鋼表面改性技術(shù)，絕大部分鈍化采用工件在鈍化液中浸泡的處理技術(shù)來實現(xiàn)。

雖然大多數(shù)不銹鋼血管植/介入器件產(chǎn)品描述中不會提及表面鈍化的技術(shù)細(xì)節(jié)，但根據(jù)材料自身特性，多數(shù)產(chǎn)品都需要進行表面鈍化處理，以提高植入器件的生物安全性。

2-等離子體浸沒離子注入技術(shù)

等離子體浸沒離子注入技術(shù)是將器件浸沒在均勻的低壓等離子中，通過施加高壓負(fù)脈沖，使器件表面上的等離子體獲得相應(yīng)能量之后沉積形成涂層的一種技術(shù)。其中等離子體可由陰極真空弧光放電等技術(shù)產(chǎn)生。

采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)沉積氧化鐵涂層具有優(yōu)異的生物相容性，與現(xiàn)有支架平臺金屬材料相比，它可以延緩血液凝固，并具有誘導(dǎo)和促進內(nèi)皮細(xì)胞增殖的功能。金屬表面的氧化鐵涂層還可以作為物理屏障減小金屬離子的溶出，并降低因金屬離子溶出而引發(fā)的毒性反應(yīng)。因此，金屬支架表面的氧化鐵涂層可以抑制凝血、促進內(nèi)皮化和受損血管的愈合。

西南交通大學(xué)在金屬心血管支架表面制備氧化鐵涂層方面進行了大量研究，首先是氧化鐵涂層與316L不銹鋼基體附著力的研究，如圖所示：

研究結(jié)果表明，涂層厚度對涂層與基體附著力影響較大，當(dāng)涂層太厚時，支架變形會使涂層崩解、脫落，相比之下，涂層厚度在25nm時，涂層與基體的附著力較好，涂層可以經(jīng)受支架變形處理而不產(chǎn)生裂紋。

此外，還將氧化鐵涂層通過等離子體注入的方法制備于L605鈷基合金支架表面，并通過循環(huán)變形試驗分析涂層的耐疲勞性能和耐腐蝕性能。研究結(jié)果表明，經(jīng)氧化鐵涂層處理的L605合金具有良好的耐疲勞性能和耐腐蝕性能，具備臨床應(yīng)用價值。

3-氣相沉積技術(shù)

源于納米金剛石或DLC沉積的碳涂層可以使金屬表面具有優(yōu)良的生物相容性和抗纖維包裹性能。

碳涂層具有高硬度和低摩擦系數(shù)的特性，濺射和離子束輔助沉積技術(shù)被廣泛用于在醫(yī)用金屬材料表面制備這種碳涂層。體外試驗證實，DLC涂層支架可抑制血小板活化和血栓形成，當(dāng)其暴露在流動的富含血小板的血漿中時，幾乎沒有血小板的聚集和離子的釋放。但在動物試驗中，觀察支架植入后6周的內(nèi)膜增生情況時，卻發(fā)現(xiàn)其與無涂層支架沒有顯著差別。

熱解碳是一種新興的支架用化學(xué)惰性涂層材料，其生成機理基本上都是在流化床中經(jīng)烴類物質(zhì)進行熱裂解，通過化學(xué)氣相沉積而制得。根據(jù)這一原理，熱解碳涂層應(yīng)用于心臟瓣膜材料上，并在長期的臨床記錄中被證明安全有效。其后，人們設(shè)計了涂覆碳涂層的不銹鋼支架，并植入豬體內(nèi)進行了I臨床前試驗，結(jié)果顯示內(nèi)皮化良好，血栓較少，并且沒有明顯的炎癥反應(yīng)。然而，臨床試驗研究表明，碳涂層支架和BMS的再狹窄率分別為31.8%和35.9%，臨床效果并沒有顯著改善。

還有研究表明，碳化硅涂層支架具有良好的血液相容性，可降低血小板和白細(xì)胞的黏附和活化。一項多中心非隨機臨床研究表明，無論是在一般、復(fù)雜還是高危(AMl、小管徑、慢性完全閉塞、隱靜脈橋、冠狀動脈同種移植血管疾病)病變處植入碳化硅涂層支架，急性和亞急性血栓形成率均較低，植入6個月發(fā)生的再狹窄率同樣較低。

4-聚甲基丙烯酸丁醋涂層技術(shù)

聚甲基丙烯酸丁醋(PBMA)是一種具有良好力學(xué)性能的惰性聚合物，最早被應(yīng)用于藥物洗脫支架(DES)的載藥涂層。這種聚合物涂層的制備方法多采用溶膠-凝膠法，通過浸涂方法將聚合物藥物涂層制備于心血管支架表面。隨著惰性藥物涂層逐漸被可降解藥物涂層替代，PBMA作為過渡涂層材料被應(yīng)用于金屬支架平臺與藥物涂層之間，以期賦予支架良好的生物相容性。

二、主動涂層-藥物涂層技術(shù)

以上介紹的涂層技術(shù)都是被動涂層技術(shù)，僅定位于涂層自身生物相容性好，并作為物理屏障改善心血管支架的生物安全性。而主動涂層則是通過一定的涂層技術(shù)在支架表面制備功能性的涂層，實現(xiàn)血管支架的某些功能特征。

主動支架涂層制備技術(shù)有很多，具有代表性的有浸泡、包裹、共溶和接枝等方法。

浸泡，是指直接將支架放入含藥溶液中，從而使其帶藥；

包裹，是指將支架在藥物溶液中浸泡后，再用涂層材料對帶藥支架進行涂層修飾；

共溶，是指將藥物與涂層材料在同一溶劑中溶解后，對支架進行涂層制備；

接枝，是指先以涂層材料作為支架涂層，然后藥物通過其官能團與涂層材料官能團反應(yīng)，從而將藥物連接在支架上。

臨床應(yīng)用的藥物支架載藥涂層的和制備技術(shù)主要是采用共溶法，通過超聲霧化噴涂技術(shù)實現(xiàn)支架表面涂層的均勻制備。

1-第一代藥物支架

第一代心血管支架BMS的臨床應(yīng)用，雖然在一定程度上降低了球囊成形術(shù)后的急性、周期性并發(fā)癥和彈性回縮的發(fā)生率，但隨之而來的是一定比例的亞急性血栓事件和后期的支架內(nèi)再狹窄(ISR)的發(fā)生，對支架植入血管后發(fā)生支架內(nèi)再狹窄機制的研究，將抑制增殖類藥物應(yīng)用到裸金屬支架表面，以期實現(xiàn)這種功能化藥物的緩慢釋放，降低支架內(nèi)再狹窄發(fā)生率，由此誕生了藥物洗脫支架(DES)。

2001年披露了首個雷帕霉素DES可行性臨床研究結(jié)果，隨后公布了大量相關(guān)臨床研究數(shù)據(jù)。9個月的臨床隨訪結(jié)果表明，雷帕霉素DES可以有效降低支架內(nèi)再狹窄發(fā)生率，從BMS的36.3%.降低到8.6%(p<0.001)。1年的臨床隨訪結(jié)果顯示：DES植入后發(fā)生的主要心臟不良事件(MACE)比率(5.8%)遠低于BMS(28.8%)(p<0.001)。

2003年公布了紫杉醇DES的可行性I臨床研究結(jié)果，其靶病變血運重建(TLR)、靶病變血管再生(TVR)、MACE事件發(fā)生率都比BMS顯著降低。從此，全面開啟了第一代DES的臨床應(yīng)用。

2-第二代藥物洗脫支架

隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)支架植入后發(fā)生的炎癥反應(yīng)和再狹窄與支架的網(wǎng)絲厚度有著一定的關(guān)聯(lián)性。因此，一種具有更薄網(wǎng)絲，但可以對病變血管提供足夠支撐的新型心血管支架成為支架開發(fā)的下一個目標(biāo)。L605鈷鉻合金具有較高的力學(xué)性能，而使這一目標(biāo)變?yōu)楝F(xiàn)實，由此誕生了第二代藥物洗脫支架。

但對比臨床統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，第二代藥物洗脫支架并沒有明顯改善支架植入后的隨訪指標(biāo)，絕大部分表現(xiàn)為非劣效。此外，還發(fā)展出一款以鉑鉻合金(一種含鉑奧氏體不銹鋼〉作為支架金屬平臺的藥物洗脫支架，其具有更好的柔順性，可以輸送到復(fù)雜、遠端病變。但臨床數(shù)據(jù)顯示，這種高柔順性支架會在植入后發(fā)生變形，從支架力學(xué)性能角度分析，可能是因為支架結(jié)構(gòu)中缺少剛性結(jié)構(gòu)，以及支架支撐強度較低。

這種支架只適用于對強度要求不高，需要頻繁過彎或需要通過側(cè)枝的病變，而對于那些鈣化病變則不適用。

在第二代藥物洗脫支架發(fā)展過程中，還出現(xiàn)了雷帕霉素和紫杉醇的衍生物，包括依維莫司、佐他莫司(Zotarolimus)等。

此外，對藥物釋放周期也進行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，分為快速釋放和緩慢釋放兩種模式。快速釋放模式可以縮短藥物釋放時間，同時可縮短雙抗治療周期，從而降低服用雙抗而引起的副作用。但多數(shù)受損血管需要更長的修復(fù)期，因此延長藥物釋放周期(緩慢釋放模式)可以降低支架內(nèi)再狹窄的發(fā)生率，但同樣會帶來另一個問題，就是內(nèi)皮化延遲而引發(fā)的晚期血栓。

雖然藥物洗脫支架在臨床應(yīng)用中還存在不盡如人意之處，但這種微創(chuàng)的醫(yī)療器械確實是臨床用來治療血管疾病的有效途徑。在支架發(fā)展過程中，幾款重要的支架匯總于表中：

3-新一代藥物洗脫支架

通過進一步分析支架表面藥物涂層的作用位置，發(fā)現(xiàn)其靶作用位置是與支架直接接觸的血管壁，由此發(fā)展出一種藥物涂層僅分布在支架外表面的藥物洗脫支架。支架植入后涂層中的藥物直接擴散進入血管壁，靶向給藥提高了藥物的利用率，同時降低了對非靶向部位的抑制內(nèi)皮化的副作用。

三、生物功能化涂層技術(shù)

心血管支架對于人體而言是一種外來物質(zhì)，在植入過程中不可避免地會對血管組織造成損傷，目前臨床用來降低異物反應(yīng)和損傷修復(fù)的辦法主要是藥物抑制作用。

隨著仿生學(xué)的興起，主動賦予心血管支架以生物功能成為現(xiàn)今研究的熱點。內(nèi)皮化是血管壁修復(fù)的最重要的因素，在血管壁損傷后，盡快建立功能性內(nèi)皮層將會降低支架內(nèi)再狹窄和血栓發(fā)生的風(fēng)險。

生物功能化涂層技術(shù)是利用物理或化學(xué)方法將生物功能化分子或可實現(xiàn)生物功能特性的物質(zhì)添加到涂層中。生物功能化分子主要包括蛋白、多膚、生長因子、抗體等。此外，還有一些物質(zhì)可以實現(xiàn)生物功能特性，如一氧化氮(NO)、銅(Cu)、肝素等。

制備功能化涂層的物理方法有物理共混、物理沉積和物理吸附等，其中物理共混方法最為常用。主要是通過將功能化分子或物質(zhì)與涂層載體共混于溶劑中，通過浸提、旋滴、噴涂等方法將涂層制備于心血管支架表面。植入后通過溶解/擴散的方式釋放到靶位置，從而實現(xiàn)生物功能。

化學(xué)方法相比于物理方法，在生物功能化涂層技術(shù)中更為重要?；瘜W(xué)方法多是利用分子間的活性官能團的相互作用，來實現(xiàn)功能化分子的固定，這種制備方法獲得的涂層中功能性物質(zhì)的利用率較高，多為單層分布。而且這種結(jié)構(gòu)的涂層可以與靶病變組織直接接觸，生物功能性能夠得到更好的體現(xiàn)。

1-內(nèi)皮祖細(xì)胞涂層

內(nèi)皮祖細(xì)胞(EPCs)是血管內(nèi)皮細(xì)胞的前體細(xì)胞，也稱成血管細(xì)胞，在生理或病理因素刺激下，可從骨髓動員到外周血中，參與損傷血管的修復(fù)，是內(nèi)皮化的重要影響因素，2011年，內(nèi)皮祖細(xì)胞捕獲支架這一新的概念被提出，目前己開發(fā)出一款攜帶內(nèi)皮祖細(xì)胞捕獲因子的雙藥支架(COMBO支架〉。這款支架將一種可以捕獲內(nèi)皮祖細(xì)胞的生長因子(CD34+)制備于支架管腔內(nèi)側(cè)，外側(cè)制備傳統(tǒng)的具有抑制增生功能的雷帕霉素涂層，以期同時具有抑制內(nèi)膜過度增生和快速實現(xiàn)內(nèi)皮功能修復(fù)的特性，是一款生物功能化支架。該支架的動物試驗結(jié)果顯示出較好的生物安全性。臨床數(shù)據(jù)對比結(jié)果顯示，這款內(nèi)皮捕獲支架與傳統(tǒng)藥物洗脫支架相比表現(xiàn)為非劣效，然而這種設(shè)計符合理想支架特性，是未來的發(fā)展方向。

除了抗體蛋白以外，生物分子如肝素、磷酸膽堿、白蛋白、彈性聚合物、血栓調(diào)節(jié)素、適配體等也成為用來賦予血管支架生物功能化的研究熱點。

2-肝素化涂層

自1963年首次報道肝素化表面以來，肝素因其具有良好的抗凝血與抗炎特性而聞名，很快被廣泛用于修飾心血管植入材料表面。

表面修飾肝素涂層的支架相比于未改性的聚四氟乙烯涂層支架，其血小板聚集程度明顯降低。肝素主要是降低活化的血小板表面上的GPIIb/IIIa表達量，以減少凝血反應(yīng)。肝素通常與生物分子(如殼聚糖、膠原蛋白和纖維連接素)協(xié)同使用，從而獲得更為顯著的生物活性。

近10年來，各種表面肝素化技術(shù)被爭相報道，最為典型的是層層自組裝技術(shù)和共價鍵接枝技術(shù)。

層層自組裝固定肝素往往不夠牢固，在體內(nèi)無法長期穩(wěn)定存在。肝素生物分子經(jīng)過共價鍵接枝在心血管支架表面，是一種頗具效果的表面修飾手段，可以在生物分子接枝過程中保留豐富的反應(yīng)官能團，因而在抗凝血方面得到了廣泛的研究。然而，其也有亟待改進的不足，即對于生物醇等小分子而言，固定后往往官能團失活，失去原有的設(shè)計優(yōu)勢。等離子體聚合作為一種可以實現(xiàn)在心血管支架表面構(gòu)建良好表面覆蓋性和官能團活性均質(zhì)無針孔膜的技術(shù)，正在成為多種生物材料基底表面改性的研究熱點。有研究者通過脈沖等離子體制備聚丙烯膠薄膜，并將其沉積在鏡面拋光的316L不銹鋼表面，如圖所示：

為了驗證薄膜的生物學(xué)性能，采用全血孵育的試驗，并通過細(xì)胞乳酸脫氫酶來檢測血小板黏附情況與整體凝血情況。此外，通過在制備的薄膜上進行人臍內(nèi)皮細(xì)胞與平滑肌細(xì)胞相對應(yīng)的細(xì)胞學(xué)表征，證明共價固定肝素的聚丙烯薄膜除了具有優(yōu)異的抗凝血性能，還可以促進內(nèi)皮細(xì)胞生長，抑制平滑肌細(xì)胞增殖。為了進一步驗證涂層在體內(nèi)的性能，進行了狗的體內(nèi)支架植入試驗，進一步確定了涂層優(yōu)異的生物學(xué)性能。

3-磷酸膽堿涂層

磷酸膽堿是一種兩性離子，在涂層構(gòu)建中可以起到防止蛋白與細(xì)胞黏附的作用，因此經(jīng)磷酸膽堿修飾的支架具有較好的抗血栓作用。雖然目前磷酸膽堿聚合物涂層處理的藥物洗脫支架己經(jīng)商品化，但其仍然受到