冠状动脉支架材料的研究进展.pdf
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1、 张春怀:男,硕士研究生 E2mail:zhangchunh1000 许鑫华:通讯联系人,教授,博士生导师 Tel:022227406127E2mail:xhxu 冠状动脉支架材料的研究进展张春怀,许鑫华,朱天兵,闫学良,姚康德(天津大学材料科学与工程学院,天津300072)摘要 冠状动脉支架置入术作为治疗心血管狭窄引起的冠心病的主要方法之一,得到了较为广泛、深入的研究。从材料的角度系统介绍了冠状动脉支架,包括支架基体材料、支架表面涂层材料和所载药物,并简要说明了药物涂层的组装工艺和冠状动脉支架的发展趋势。关键词 支架材料 涂层 药物 表面修饰Research Progress in Coro
2、nary2artery Stent MaterialsZHANG Chunhuai,XU Xinhua,ZHU Tianbing,YAN Xueliang,YAO Kangde(School of Material Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072)AbstractCoronary artery stent implantation,which is one of the most important methods to cure coronarydisease caused by coronary2arter
3、y stenosis,receives increasing and extensive investigations.From the material point ofview,this paper systematically introduces coronary artery stent,including stent materials,coating matrix materials anddrugs carried,and also reviews the coating procedures and the trend of coronary artery stent.Key
4、 wordsstent materials,coating,drugs,surface modification 经皮冠状动脉介入性治疗(PCI)具有微创伤和高效性的优势,已成为治疗心血管狭窄引起的冠心病的一种主要方法。但再狭窄一直是介入性治疗面临的一个巨大挑战,冠状动脉支架置入术已使再狭窄率从球囊扩张术时代的30%60%显著下降到10%30%1,成为最常用的PCI技术。1964年Dotter等提出了经皮腔内血管成形术的概念,并拟用硅橡胶或塑料来支撑血管以保持血管内血流畅通2,1969年他们首次利用金属环在动物体内作血管支架3。1987年Sig2wart成功地实施了第一例冠状动脉支架手术4。之
5、后,冠状动脉支架作为冠心病介入治疗史上的第二个里程碑而被广泛接受。到21世纪初,以Cypher和TAXUS为代表的药物洗脱支架则被誉为第三个里程碑。根据支架置入体内后的扩张方式可将其分为自扩张支架和球囊扩张支架。冠状动脉支架的设计和制造是一个复杂的过程,涉及到材料学、力学、医学、生物化学等多个学科。一个性能优良的支架应具备生物相容性好、扩张性能好、支撑力好、顺应性好、易弯曲和符合流体力学等特性,而支架材料、结构设计、加工工艺和表面修饰等对这些特性起决定性的作用。本文从材料的角度出发,综述了冠状动脉支架对材料的基本要求、基体和涂层材料及所载药物的选取、支架的表面修饰及药物涂层组装工艺的研究进展。
6、1 冠状动脉支架对材料的基本要求在过去的10多年中,人们对冠状动脉支架展开了较为广泛而深入的研究。作为血管植入物,冠状动脉支架材料主要应满足以下条件:(1)生物相容性:支架置入体内后与血液及血管壁接触,良好的生物相容性要求不产生炎症和致敏反应,有效减少急性血栓形成和阻止内膜组织增生,并且具有良好的抗凝血性。(2)力学性能:支架置入血管后应保证在最小损伤下达到支撑血管的目的,在支架圆周上应具有均匀分布的强度和足够的刚性等力学性能,并具有良好的流体动力学相容性。(3)柔韧性:支架必须具有足够的柔韧性以便在置入时能够容易地通过弯曲的动脉血管到达靶血管位置。(4)可视性:支架在置入时一般采用“X光”引
7、导,要求材料具有“X光”可视性。由于需要使用核磁共振成像(MRI)进行血管造影,要求材料同时具有MRI可视性。(5)良好的扩张性:理想的支架应具有较大的扩张比,使得支架能够压缩到尽可能小,以穿过狭窄的血管通路进抵靶血管部位,然后扩张到预先设计的直径。小于设计直径就会增加血栓形成的危险,而过度扩张对血管内膜压迫又会造成弹性损伤。不同类型的支架对材料的具体要求可能不同。如对球囊扩张型金属支架,要求具有较大的弹性模量和拉伸强度、较低的屈服强度、较好的柔韧性等。而对自扩张金属支架,伸张度、极限抗拉强度、耐脉动和弯曲疲劳性则是很重要的参数5。对某一种特定的材料来说,这些条件并不完全具备,甚至是相互冲突的
8、,因此需要对材料进行综合评价,以期获得理想的支架。2 冠状动脉支架基体材料2.1 生物医用金属具有良好生物功能性和优异加工性能的一些生物医用金属成为支架的首选材料。不锈钢,主要是AISI 316L不锈钢,具有021材料导报 2007年2月第21卷第2期良好的耐腐蚀性能和综合力学性能,是应用最广泛的一类支架材料,但其“X光”可视性较差,含有的镍具有致敏反应。相对于不锈钢而言,钴合金具有更大的强度,在保持应有的径向支撑力的同时可制成更小的支架,更容易达到血管远端。此外,钴合金的密度比不锈钢大,并且没有磁性,使得钴合金支架具有更好的可视性和MRI相容性。医用钛合金是目前临床上应用最具发展潜力的医用金
9、属材料,但较小的密度和弹性模量限制了其在支架上的应用。而镍钛形状记忆合金则被用作支架材料,并可通过调节其中镍的比例得到合适的相变温度,比较有代表性的镍钛合金含镍50.8%,钛49.2%6。难熔金属,如钽具有良好的抗生理腐蚀性、血液相容性、“X光”和MRI可视性,其氧化物基本上不被吸收,不呈现毒性反应,也是支架常用的材料之一7。此外,支架材料还包括铂、金、铱、钯等贵金属8,它们具有良好的“X光”可视性,只是力学性能较差。当前,金属支架的发展趋势之一是寻找更完美的材料,如一些不含镍的不锈钢5和铌及其合金9等,另一趋势则是采用复合金属材料,如在不锈钢支架上镀金以增加可视性9,但金可能引起接触致敏反应
10、10,限制了它的应用。金属支架的缺陷在于其置入血管后永久存在,会产生一系列的潜在问题,如持久的物理性激惹、局部慢性炎症反应、内皮功能障碍等。2.2 可生物降解聚合物研究表明血管再狭窄主要发生在最初6个月内,因此人们希望使用一种材料,在一定时间内支撑血管腔,保持血管畅通,而后自然消失。具有良好生物相容性的可降解聚合物材料成为首选之一。Stack等11于1988年设计和制作了第一枚可生物降解支架。Tamai等12完成了第一例可生物降解支架的临床试验。Frank等13,14研究了可降解支架的药物释放动力学,研究表明聚合物的Tg、结晶度和分子量等均会对释放曲线产生影响,并指出通过选择药物和聚合物的组合
11、可避免爆释的发生。研究制备可生物降解聚合物支架的材料有多种,如聚乳酸、左旋聚乳酸(PLLA)、聚原酸酯、聚己内酯、聚羟基乙酸、聚羟基乙酸/聚乳酸共聚物(PL GA)、聚羟基丁酸戊酯、聚氧化乙烯/聚对苯二甲酸丁二酯共聚物等,但研究表明以PLLA和PL GA应用潜力最大,其余的在猪动脉中产生了明显的炎症反应和增生15。前期研究已表明高分子量(321kDa)的PLLA在体内无急慢性炎症反应,更适于作支架材料12,16。Venkatramana等17通过对力学性能方面的研究也得到了相似的结论,并指出其整体性能能够维持6周的时间保持不变。此外,他们还首次开发了在体温(37)自扩张的聚合物支架。该支架采用
12、双层结构,在纯PLLA外面加上一层PL GA53/47,使其具有部分弹性记忆,在扩张时无需加热18。聚合物支架取得了一定的发展,但由于聚合物支架的径向力比金属支架小,因此需要更大的支撑厚度,从而造成支架体积较大,无法到达远端小血管;其另外一个限制是在置入时无法用气囊将其完全扩张,不得不使用加热的方法,对血管造成了潜在的危险,再加上较大的回弹力,使得聚合物支架无法完全取代金属支架19。2.3 可生物吸收合金由于金属支架和聚合物支架固有的缺陷,人们希望使用一种可生物吸收的合金来制造支架。在理论上,可吸收合金支架具有改善生物相容性、增强血管重构、重建普通支架置入后消失的血管动力等多种优点,还可以在同
13、一病变处进行多次介入干预,而不会产生支架重叠带来的问题19。镁合金良好的力学性能、可控腐蚀性能和降解产物的最小副作用等优点使其成为支架的选用材料。镁合金支架的镁含量约为36mg,在几个月的时间内降解,释放的镁离子浓度远远小于血液生理浓度(0.701.05mmol/L)15,又由于镁离子不会导致心血管疾病20,支架镁离子的释放可能是更有益的。Heublein等21使用AE21首次制备了可生物吸收合金支架,动物实验中在抗凝血性、炎症反应、降解动力学及内皮化过程等方面均显示了良好的效果,但同时具有明显的内膜增生,不过随后可以被血管重塑所弥补。Biotronik公司之后又使用改进镁合金(含有锆、钇和稀
14、土元素)制备的支架在动物实验和初期临床实验中均取得了理想的效果15,19,22,显示出了较大的应用潜力。镁合金支架具有良好的MRI相容性,但在“X光”下不能显示23,置入时必须采用血管内超声引导。镁合金支架的另一个问题是降解速率过快,在大约2个月内已完全降解23。除镁合金之外,Peuster等24还采用纯铁(99.8%)制备了可吸收金属支架,在兔体内经过618月的观察没有发现血栓及其它不利反应。尽管在组织病理学上说不应发生炎症反应、内膜增生和组织毒性等,但其安全性仍有待于深入研究。3 冠状动脉支架涂层材料及药物金属支架的表面电位比较高,表面自由能比较大,可能导致吸附负离子,容易形成血栓,又由于
15、金属支架在体内腐蚀释放的金属离子可能导致毒副作用,因此人们在支架表面涂上涂层,包括无机涂层和高分子涂层,而载药涂层则是研究最广泛的一种,所载药物根据需要在一定时间内释放,大大降低了支架内再狭窄的发生率。3.1 无机涂层无机物质包被在支架表面可用来改善支架的电机械性能,涂覆了SiC的血管支架表面具有半导体性质并且在体内具有良好的血液相容性,在中长期临床实验中都显示了较低的狭窄率25。涂覆了碳膜(Carbonfilm)的支架表面没有血栓形成,并有较好的内皮化26。生物陶瓷涂层(IROX)能够减少对平滑肌细胞的刺激,并且不释放离子或致敏性物质9。Ti2N2O薄膜涂层的血管支架表面内膜增生较少,与不锈
16、钢相比能降低再狭窄27。但是无机涂层比较脆,在支架撑开时比较容易断裂脱落而形成局部腐蚀点,仅仅用于比较薄的涂层。无机涂层也可用作药物载体28。3.2 高分子涂层与无机涂层相比,高分子涂层具有更好的柔韧性及血液相容性、炎症反应轻微和内膜增生减少的特性29。涂层高分子既可以是天然高分子,也可以是合成高分子。天然高分子,如玉米蛋白30和胶原蛋白31,其本身和降解产物均具有良好的生物相容性。合成高分子包括非生物降解聚合物和可生物降解聚合物。前者既可以是亲脂性的,也可以是亲水性的,在体内长期存在,适宜作长期药物的载体,但药物释放完毕后残余物有可能引起炎症和增生等不良反应31。后者在体内通过水解或酶解机制
17、最终降解为小分子,其优点之一就是在体内不积蓄,不会引起累积中毒。在过去几年的研究中,研究者们发现单纯通过高分子材料的选择并不能完全解决问题,因此当前高分子涂层的研121冠状动脉支架材料的研究进展/张春怀等究重点是将其作为药物的载体,通过与药物的选择搭配来降低再狭窄率。通常选用的涂层聚合物包括苯乙烯2异丁烯2苯乙烯共聚物、羟基苯乙烯2异丁烯2羟基苯乙烯共聚物及其衍生物、聚氨酯、聚己内酯、聚乙烯醇接枝聚乳酸聚羟基乙酸共聚物、磷酸胆碱及左旋聚乳酸、聚羟基乙酸聚乳酸共聚物等等。高分子涂层支架存在涂层与金属基体界面的结合力问题,结合力不好容易导致涂层从支架表面脱落。此外,高分子涂层还应具有足够的韧性以适
18、应支架的扩张,避免产生裂缝。3.3 药物涂层药物涂层是在高分子涂层的基础上结合一种有治疗作用的药物或抗体,通过提高血管病变部位的药物浓度达到治疗的目的。Finkelstein等32对药物洗脱支架的药物释放动力学进行了研究,认为用这种方法对治疗心血管疾病是可行的。理想的抗再狭窄药物应具有非亲水性特点以提供较高的局部药物浓度,同时也要有亲水性的特点以便于均匀释放;应具有较宽的治疗2毒性浓度间隔;既能抑制平滑肌细胞增殖又不影响血管损伤后内皮化进程;对新生内膜细胞具有特异性;具有抗炎作用和抗血小板功能。根据药物的作用机制不同,可将目前研究的涂层药物分为以下几类:免疫抑制剂类,通过影响细胞周期的转变达到
19、抑制增殖和增生的目的,如Tacrolimus(FK506)、雷帕霉素及其衍生物ABT2578、Mytrolimus、Everolimus等。抗增生类则包括紫杉醇、放射菌素D、酪氨酸激酶抑制剂、L2精氨酸、Angio2peptin等。抗血栓类,如肝素、水蛭素、血小板糖蛋白IIb/IIIa受体拮抗剂等。此外,一些研究者还对抗炎性药物、促进愈合的药物及中药成分进行了研究,如地塞米松、Simvastatin、雌二醇、蛋白C、松胞菌素D等,这些药物在研究初期均显示出了有效性。但有时药物涂层支架虽然在动物模型上是有效的,而在人身上却不总是产生相同的结果,此外,药物总量、药物浓度和释放形式等都会对临床效果产
20、生影响,由于缺乏研究标准,这些研究的解释和比较正变得越来越复杂。目前临床应用成功的药物洗脱支架所携带的药物主要是雷帕霉素和紫杉醇,但药物洗脱支架最长的临床观察期至今只有2年多33,更长的时间是否仍然有效、是否引起复杂病变等问题,仍有待更深入的研究和探讨。4 冠状动脉支架的表面修饰及药物组装金属支架的制备一般采用编织、激光雕刻、蚀刻、微电荷加工、电成型及模铸等几种方法。为了改善支架的耐腐蚀性及其它性能以达到血管植入物的要求,需要对加工好的支架进行表面修饰。通常采用的表面修饰方法包括物理化学改性方法,如:酸洗、软蚀刻、退火、电化学抛光等34,还包括在支架上涂上涂层或药物等。无机涂层,如氧化铝,可先
21、在支架表面通过物理气相沉积(PVD)方法镀上一层铝,然后通过阳极氧化转化为氧化铝涂层6,或者在0 时用2%的草酸溶液处理就可得到纳米孔氧化铝陶瓷涂层,也可以用来载药35。用同样的方法可以在不锈钢支架上镀钽,溅射30min后逐渐通入氧气取代氩气,就可以在表面形成氧化钽涂层36。高分子涂层,目前的研究主要是作为药物的载体。一般来说,其方法是首先将聚合物和药物溶于溶剂中制成药物涂层溶液。溶剂必须是挥发性的,三者之间要求具有相容性且溶剂和聚合物在溶液中不改变药物的治疗特性。然后采用微喷法或蘸涂法将其涂覆到支架上,充分干燥除去溶剂。一般涂层的厚度约为510m,重量约为500g,药物与聚合物的比例约为37
22、。还有一种方法是先制作一个含有药物的多聚物鞘,将多聚物鞘套在未张开的支架表面,当支架释放后,多聚物鞘便覆盖于支架与血管之间,其中的药物可缓慢释放37。有些支架在药物基质涂层的表面又涂覆了一层不含药物的纯聚合物控制释放层,其优点是无明显的爆释现象,药物释放比较均匀,释放时间进一步延长。药物与高分子载体的混合方式可以是物理混合,也可以通过离子键或共价键连接在载体上,但这种方法可能会影响药效。此外,药物涂层支架也可以利用支架材料本身吸附药物的能力将药物直接涂抹到支架上,通过药物浓度梯度的扩散来实现药物的释放。为了克服这种支架载药量有限的不足,近年来出现了一种微孔支架,即在支架的表面雕刻微孔38或凹槽
23、39,将药物置于其中,可提高支架的载药量,又可携带放射源或其它微小器械进行体内局部治疗。可生物降解聚合物支架在结构上不同于金属支架,主要有管状和螺旋形两种支架。主要采用溶液浇注法,将聚合物溶于有机溶剂(如二氯甲烷、氯仿等)制成聚合物溶液,浇注成聚合物薄膜,在真空烘箱中充分干燥以除去有机溶剂(残余量0.3%),用切割法加工成纤维条缠绕在心轴上加热即可形成螺旋形支架;也可以将纤维条卷成管状加热形成管状支架17,聚合物薄膜也可以使用自动涂膜机来制备。对支架基体材料进行造孔和涂膜即可制备药物洗脱支架。若在聚合物溶液中加入药物可直接制成药物支架,药物通过支架材料本身的降解进行释放13。5 其它新型支架5
24、.1 放射性支架放射性支架一般选用作用范围局限的射线。若靶组织包括外膜,也可应用小剂量的放射源,其优点是剂量分布均匀。但放射性支架有可能形成远期血栓和边缘再狭窄40,41,而且放射性支架的制作工艺、植入后血管壁病理变化及最佳放射源等问题仍需进一步探索。5.2 自体静脉覆盖支架利用自体静脉覆盖支架是一种新型的方法。Ferko等42研究表明,这种支架在犬体内可以减少新生内膜的形成。Stefana2dis等43研究表明在临床试验中植入该类型支架是安全可行的,尤其是急性冠状动脉综合症患者。5.3 基因支架1989年Nabel等44首次成功地将目的基因转入人体动脉血管壁细胞,开创了对血管再狭窄进行基因治
25、疗的新领域。目前,支架上负载的基因治疗试剂有:c2myc Antisense(AVI24126)45、血管内皮生长因子、Endothelial nitric oxide synthase及相关基因(eNOS and related genes)46等。然而,基因治疗要应用于临床还必须克服许多障碍,包括提高基因转染通过血管壁的效率、延长壁内停留的时间和防止支架引起管壁的炎症反应等。6 结语目前,药物涂层金属支架已经成为临床应用的主要对象,与普通支架相比,药物洗脱支架具有极其明显的优势,既能给局部组织提供足够的治疗药物浓度,又避免了由于血药浓度过高而引起的全身毒副作用,并有取代普通金属裸支架的可能
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