可降解鋅合金冠狀動脈支架研發(fā)進展

周 超，王魯寧，石章智，尹玉霞，張海軍

1.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083 2.生物醫(yī)用材料改性技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，德州 251100 3.同濟大學(xué)醫(yī)學(xué)院介入血管研究所，上海 200072

冠狀動脈粥樣硬化性心臟病簡稱冠心病，是冠狀動脈疾病(CAD)的主要類型，死亡率居高不下，在世界范圍內(nèi)造成了沉重的社會、經(jīng)濟負擔(dān)[1]。2016年我國冠心病患病人數(shù)已達1 100萬，且仍呈增長趨勢[2]。

冠心病的治療歷史可以概括為藥物保守治療、冠狀動脈旁路移植術(shù)(CABG)和PCI手術(shù)(球囊擴張、支架植入)3個階段。1977年，德國醫(yī)師Barton等[3]發(fā)明了經(jīng)皮冠狀動脈腔內(nèi)成型術(shù)(PTCA)，開創(chuàng)了PCI治療的先河。在之后的40年中，金屬裸支架(BMS)、藥物洗脫支架(DES)和藥物洗脫球囊(DEB)相繼出現(xiàn)，使急性閉塞、再狹窄以及遠期安全性事件的發(fā)生率逐漸降低[4]。PCI對三支病變、左主干病變、分叉血管病變的療效果也逐漸改善[5-8]。目前，支架植入已成為主要的冠心病治療手段[9]。

1 可降解冠狀動脈支架的發(fā)展

傳統(tǒng)支架植入后永久留置人體可導(dǎo)致遠期血栓、慢性炎癥等并發(fā)癥[10-11]，一直是治療難點。Moore等[12]的薈萃分析表明，DES治療組患者在術(shù)后3～5年主要心臟不良事件(MACE)的發(fā)生率顯著高于CABG組(23.3%vs18.2%；OR=1.37，95% CI 1.18～1.58，P≤0.0001)，結(jié)果與DES組更多的支架內(nèi)再狹窄和再次PCI有關(guān)?？山到庵Ъ苁墙鉀Q這一問題的理想手段：在支架植入早期，可降解支架與DES和BMS一樣對靶血管起到支撐作用；完成靶血管內(nèi)皮覆蓋后，支架材料逐漸被人體降解、吸收，而不發(fā)生不良反應(yīng)。

可降解支架包括可降解高分子聚合物支架和可降解金屬支架。前者以雅培公司的聚乳酸(BVS)材料為代表，其優(yōu)勢在于良好的生物相容性(乳酸是人體正常代謝的產(chǎn)物之一)，劣勢則在于高分子材料支撐力不足和支架壁較厚(BVS壁厚達150 μm，而傳統(tǒng)金屬支架僅為80 μm)[13]。BVS相關(guān)注冊臨床試驗[14]表明，使用BVS支架是發(fā)生管腔重建的獨立危險因素。薈萃分析[15]表明，這種風(fēng)險可能與BVS支架貼壁不良或植入小血管導(dǎo)致急性血栓有關(guān)，提示支架材料強度的重要性。

可降解金屬支架與聚合物支架不同，其力學(xué)性能和壁厚均接近傳統(tǒng)永久支架[13,16]，適應(yīng)證范圍也更大。早期的可降解金屬支架材料多為鎂和鐵及其合金[16]，大量對這兩種材料的改良性研究集中于降解速率的調(diào)控(降低鎂的降解速率[17-20]、加快鐵的降解速率[21-23])。與鎂、鐵一樣，鋅的降解產(chǎn)物(Zn2+)是人體必需的金屬元素之一(正常成人Zn攝入量為10 mg/d、嬰兒為2 mg/d[24])，其參與構(gòu)成多種蛋白及300余種酶反應(yīng)。Zn2+/Zn標準電極電勢為-0.761 8 V，大于Mg2+/Mg(-2.372 V)而小于Fe2+/Fe(-0.447 V)和Fe3+/Fe(-0.037 V)，提示鋅的化學(xué)反應(yīng)活性介于鐵和鎂之間，可能更加符合冠狀動脈支架對于材料降解時間的要求。

2 鋅合金冠狀動脈支架材料的研究現(xiàn)狀

2.1 合金化元素 純鋅為密排六方結(jié)構(gòu)，滑移系少，塑性、強度較差，且存在晶間腐蝕傾向，無法滿足支架加工和使用要求。通過合金化對鋅的力學(xué)性能進行改良是將鋅應(yīng)用于冠狀動脈支架的必要條件。人們以往通過添加合金化元素鋁、銅、鎂等以細化晶粒，改善鋅的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和阻尼性能(合金ZA8、ZA12、ZA27)。

銅應(yīng)用于醫(yī)療器械，具有抗菌、促進新生血管形成和促進成骨的作用[25-26]。銅的原子半徑(127.8 pm)與鋅的原子半徑(133.2 pm)接近，低量銅可固溶于鋅形成置換固溶體。銅-鋅相圖中存在多種金屬間化合物，在富鋅端鋅基體中的第二相是ε相，含銅量為12%～22%。鋅基體中的第二相能顯著改善鋅合金的力學(xué)性能[27]，并減少鋅合金的晶間腐蝕[28]。此外，銅能夠促進人血管內(nèi)皮細胞增殖，而血管內(nèi)皮細胞增殖及支架植入后的再內(nèi)皮化是影響PCI遠期預(yù)后的關(guān)鍵因素[29-30]。目前已有學(xué)者嘗試將銅應(yīng)用于血管支架材料(如含銅不銹鋼)[31-33]。銅可能是鋅合金冠狀動脈支架材料中的一種潛在元素。

鎂與鋅同為密排六方結(jié)構(gòu)，降解產(chǎn)物為人體必需。研究[34]表明，鎂的加入可以降低鋅的細胞毒性，但不利于鋅合金塑性的提高。鈣、鍶、錳、鋰、鐵、鈦等金屬以及稀土元素在鋅合金中的添加也有研究。鈣、鍶等元素與骨生成、鈣化等過程相關(guān)[35]，但可能不是支架植入的理想選擇。稀土元素的加入雖然同樣能夠起到生成第二相、強化晶界的作用，但是稀土與鋅形成的金屬間化合物不易被降解吸收。將鐵加入鋅合金中能夠顯著提高合金的硬度和強度[36]，但鋅鐵之間形成的金屬間化合物也較為穩(wěn)定，難以被降解吸收，且會給冠狀動脈支架加工(如拋光)造成不利影響。其他的非人體必需元素或有毒元素，如鈦和鋁，雖然是傳統(tǒng)的鋅合金組成成分，但可能也不能應(yīng)用于可降解冠狀動脈支架材料。

2.2 力學(xué)性能 屈服強度作為材料力學(xué)性能的重要指標之一，直接影響冠狀動脈支架終產(chǎn)品的支撐性能。此外，產(chǎn)品加工、使用過程中須經(jīng)歷較大的塑性變形，因此要求材料具有一定的斷裂延伸率。研究[37]認為，材料屈服強度200 Mpa以上、斷裂延伸率15%～18%才能達到要求。鋅、鎂、鐵及鋅合金的屈服強度和斷裂延伸率[38-48]如圖1。其中，商用稀土鎂合金WE43為目前唯一獲得上市許可(CE認證)的金屬可降解支架，而不銹鋼316Lss則代表目前市場主流永久支架材料。

需要指出的是，純鋅熔點較低，在室溫變形后會再結(jié)晶，不發(fā)生加工硬化。有研究[43,49-50]表明，延伸率低于15%的鑄態(tài)鋅及其合金也可以完成加工成型，這可能是因為將鋅合金材料制成毛細管的過程當(dāng)中，材料經(jīng)歷了較大比例的塑性形變，晶粒細化使其塑性提升。

2.3 降解性能 體外和體內(nèi)多項研究[23,47,49-51]結(jié)果證實，鋅及其合金的降解速率介于鎂合金與鐵合金之間，可能更加符合冠狀動脈支架對于材料降解時間的要求。因此，目前有關(guān)鋅及其合金醫(yī)療應(yīng)用的研究多涉及降解速率的表征，而很少涉及降解速率的調(diào)控。目前國際上腐蝕速率研究較為普遍的參考標準是美國材料與試驗協(xié)會(ASTM) G31-72，試驗溫度一般控制為37℃以模擬人體環(huán)境，腐蝕液成分選用Hank’s溶液。近年報道的部分鋅-銅系合金腐蝕速率見表1。

圖1 鋅合金冠狀動脈支架材料的力學(xué)性能[34,36,38-46]

表1 鋅合金腐蝕速率

2.4 生物相容性 鋅作為人體必需元素之一，成人正常攝入量為10 mg/d。而一枚以鋅為基體材料制成的常用規(guī)格(直徑3.0 mm、長度20 mm，支架梁厚度0.1 mm)冠狀動脈支架的質(zhì)量約為25 mg。因此，鋅合金支架在冠狀動脈血管的使用一般不會給人體造成全身毒性。局部毒性(體外評價以細胞毒性為代表)是對材料生物相容性評價的關(guān)鍵指標。按照 ISO10993(我國轉(zhuǎn)化標準為GB16886)系列標準要求，用于冠狀動脈支架的鋅合金材料必須進行細胞毒、致敏性、皮膚刺激、急性毒性、亞慢性毒性、慢性毒性、植入、遺傳毒性及血液學(xué)相關(guān)試驗。在生物相容性評價國際標準體系中，鋅鹽是細胞毒性試驗的陽性對照物。鋅鹽細胞毒性可能為鋅合金冠狀動脈支架產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需要解決的問題之一。Tang等[34]的研究發(fā)現(xiàn)，在鋅銅合金中加入鎂元素，能夠降低細胞毒性。而鋅的細胞毒性與鎂[52]相似，其浸提液需要稀釋6～10倍才能達到國際標準。

2.5 動物實驗研究

2.5.1 純鋅植入動物血管 2013年，Bowen等[37]在《ADVANCED MATERIALS》雜志上發(fā)表了關(guān)于純鋅的動物實驗研究，第1次提出鋅作為一種可降解支架材料，其降解特性可能是較為理想的。該研究觀察了純鋅絲插入大鼠腹主動脈6.5個月的降解規(guī)律，發(fā)現(xiàn)純鋅在大鼠體內(nèi)前3個月降解緩慢，4.5個月后顯著加快(圖2)。該降解規(guī)律符合冠狀動脈支架植入后內(nèi)皮覆蓋和對支架支撐力維持時間的要求，引起了關(guān)注。2015年，該研究團隊通過組織切片進一步分析了純鋅絲在大鼠腹主動脈內(nèi)的生物相容性[53]，未發(fā)現(xiàn)支架內(nèi)再狹窄的誘因事件(炎癥反應(yīng)、局部壞死或內(nèi)膜增生)。

圖2 鋅絲植入大鼠腹主動脈背散射圖

2.5.2 純鋅以支架形態(tài)植入動物血管 2017年，Yang等[47]將純鋅制成血管支架，植入兔腹主動脈中，首次觀察了純鋅以支架形態(tài)在動物血管內(nèi)的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)純鋅支架在兔腹主動脈中完整保持了6個月，植入12個月后降解(41.75 ± 29.72)%。該研究認為純鋅在兔腹主動脈中的降解機制如圖3。

圖3 純鋅支架在血管中的降解機制

A, B：鋅暴露于流動血液，逐步形成氧化鋅和磷酸鋅(鋅→氧化鋅/氫氧化鋅→氧化鋅/磷酸鋅)；C, D：在新生內(nèi)膜覆蓋的環(huán)境下，磷酸鋅向氧化鋅和磷酸鈣轉(zhuǎn)化.掃描電子顯微鏡(SEM)照片：左側(cè)為支架表面，右側(cè)為截面圖

2.5.3 二元合金(鋅-鋰)的動物實驗 Zhao等[46]將鋅鋰合金絲植入大鼠腹主動脈，發(fā)現(xiàn)鋅鋰合金植入2～3個月的降解速率接近理想的降解速率(20 μm/y)，認為9個月降解產(chǎn)物分布示意圖如圖4。

圖4 鋅鋰合金在大鼠腹主動脈中9個月降解示意圖

3 鋅合金支架目前研究的不足

可降解血管支架的探索至今已超過10年[54]。隨著澳大利亞、歐盟和FDA相繼提示其使用風(fēng)險后，上市僅1年的BVS(可降解聚合物支架)退出市場。鋅合金冠狀動脈支架的研發(fā)同樣任重而道遠，材料的支撐性能、耐疲勞性能、抗蠕變特性能否適應(yīng)人體的復(fù)雜環(huán)境，以及降解產(chǎn)物的代謝是否損害靶血管及周圍組織等，都需要進一步研究驗證。

目前有關(guān)鋅合金材料的研究多集中于理論研究，與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚有差距。國內(nèi)外研究多給鋅及其合金的細胞毒性給出了較為樂觀的評價。現(xiàn)有對可生物降解鋅合金的研究中，僅少數(shù)關(guān)注了材料的可加工性能(塑性變形性能、可拋光性)，多數(shù)鋅合金材料未經(jīng)可加工和使用性能驗證。除上述動物實驗外，目前鮮見大動物模型原位植入(如豬心臟冠狀動脈)，而大動物實驗是鋅合金支架產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要步驟。

4 小結(jié)與展望

鋅合金以其較理想的力學(xué)性能、生物相容性及降解速率，近年來成為可降解冠狀動脈支架材料研究的熱門之一。2013年以來，鋅合金材料的研究增多，但目前還處于理論階段，其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還需要大量基礎(chǔ)和臨床研究支持，同時鋅合金材料性能的評價技術(shù)也需要進一步發(fā)展。我國目前在該領(lǐng)域的研究處于世界前列，有可能在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面首先取得突破，從而引領(lǐng)下次PCI技術(shù)革新。