新型可吸收镁合金支架在血管内应用及生物相容性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.08.015

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

可吸收镁合金支架：镁合金在生理条件下机械性能及腐蚀动力学均具有良好的可控性，以其为材料制成的可吸收金属支架在一定时期内具有良好的机械支撑性能，之后可自行降解，克服了金属本体长期存留造成的并发症，同时也意味着可在同一病变进行多次介入干预，不会有重叠支架带来的问题；支架表面带有负电荷，具有低血栓源性；镁是人体内必需的微量元素，可被人体正常代谢，不会对机体造成毒性，其还是生理性钙拮抗剂，可有效预防缺血再灌注损伤造成的钙超载损伤。

生物相容性：根据国际标准化组织(International Standards Organization，ISO)会议的解释，生物相容性是指生命体组织对非活性材料产生反应的材料与宿主之间反应，指材料在机体的特定部位引起恰当的反应。生物材料植入人体后，对特定的生物组织环境产生影响和作用，生物组织对生物材料也会产生影响和作用，两者的循环作用一直持续，直到达到平衡或者植入物被去除。生物相容性是生物材料研究中始终贯穿的主题。生物相容性可以分为生物学反应和材料反应两部分，其中生物反应包括血液反应，免疫反应和组织反应；材料反应主要表现在材料物理和化学性质的改变。

背景：动物体内实验发现，可吸收镁合金支架随着血管结构重塑的完成，可通过缓慢、有序、无毒害降解方式在体内完全降解。

目的：探讨新型血管内可吸收镁合金支架在血管内的应用效果及生物相容性。

方法：取42只防疫杂种犬，均于冠状动脉或者左侧股动脉置入可吸收镁合金支架，置入后1 d、3 d、5 d、1周、2周、3周、4周，进行冠状动脉或股动脉造影、炎性因子检测及靶血管内膜增生面积组织形态学分析。

结果与结论：置入后1 d，支架形态完整，呈完全扩张状态；置入后3 d，支架出现部分降解现象；置入后1周，支架完全降解。置入后1-3周内，肿瘤坏死因子α、白细胞介素6、白细胞介素8水平不断下降。支架置入后2周，靶血管开始出现轻微的内膜增生，且随着时间的推移，增生面积逐渐增大，内膜增生面积百分比也逐渐增大。支架植入前后的血镁浓度无变化。结果表明，新型血管内可吸收镁合金支架置入血管1周可完全降解，并具有良好的生物相容性。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

ORCID: 0000-0003-2906-9274(赵辉)

关键词: 生物材料, 材料相容性, 血管支架, 镁合金支架, 冠状动脉, 生物降解性, 生物相容性, 病理学, 内膜增生

Abstract:

BACKGROUND: In vivo animal experiments have found that magnesium alloy stents can be completely degraded in a slow, orderly and non-toxic manner following the vascular remodeling.
OBJECTIVE: To investigate the applied effect and biocompatibility of a new type of magnesium alloy stent in blood vessels.
METHODS: Forty-two crossbreed dogs were implanted with absorbable magnesium alloy stents via the coronary artery or left femoral artery. At days 1, 3, 5 and weeks 1, 2, 3, 4 after implantation, coronary or femoral artery angiography, inflammatory factor detection and morphological analysis targeting intimal hyperplasia were performed.
RESULTS AND CONCLUSION: At 1 day after implantation, the stents had the complete shape and were fully extended; at 3 days after implantation, the stents were degraded partially; at 1 week after implantation, the stents were degraded completely. Within 1-3 weeks after implantation, the levels of tumor necrosis factor α, interleukin-6 and interleukin-8 continued to decrease. At 2 and 3 weeks after implantation, the target vessels presented with mild intimal hyperplasia. As time went on, the hyperplasia area increased gradually, and the percentage of intimal hyperplasia increased gradually. Blood magnesium concentration remained unchanged before and after stent implantation. The results show that the new absorbable magnesium alloy stent can be completely degraded within 1 week after stent implantation and has good biocompatibility.

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图/表（结果） 3

2.1 实验动物数量分析 42只犬均进入最终的结果分析。

2.2 支架置入情况实验过程中，42只动物共置入63枚支架，最终所有动物全部存活。置入支架后1 d、3 d、5 d、1周、2周、3周、4周，42只动物均接受动脉造影，造影结束后取材并处死。整个观察过程中，所有动物一般情况良好，未出现死亡等情况。

2.3 支架置入后动脉造影结果及支架降解情况置入后即刻进行动脉造影，未观察到血管夹层和撕裂、穿孔及急性血栓形成等情况。不同时间点取材进行大体观察，股动脉形态等均处于正常状态，未出现血栓和血管瘤及心肌梗死等，管腔始终均处于良好的通畅状态。支架置入后1 d进行X射线透视，可观察到支架形态完整且呈完全扩张状态；置入后3 d，可观察到支架出现部分降解现象；置入后5 d，可观察到支架出现大部分降解现象；置入后1周，可观察到血管内支架完全降解，见图1。

2.4 支架置入后的炎性因子水平检测结果支架置入后1-3周，肿瘤坏死因子α、白细胞介素6、白细胞介素8水平不断下降，置入后2周和3周的各项炎性因子水平较置入后1周显著下降(P < 0.05)，置入后2周、3周各项炎性因子水平比较差异有显著性意义(P < 0.05)，见表1。

2.5 支架置入后靶血管组织学分析结果置入后1 d、3 d、5 d、1周，靶血管内膜各项指标均未出现明显改变。置入后2周，靶血管开始出现轻微的内膜增生，且随着时间的推移，增生面积逐渐增大，内膜增生面积百分比也逐渐增大，置入后2，3，4周的内膜增生及其百分比两两比较差异有显著性意义(P < 0.05)，见表2。

2.6 支架置入前后血镁浓度检测结果支架置入前后血镁浓度无明显变化。

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引言

临床可采用支架置入治疗各种冠状动脉狭窄病变，可有效改善患者的心肌供血情况，解除狭窄，达到治疗疾病的目的^[1]。在具体的手术过程中，可以采用选择的支架类型有很多，包括裸金属支架和各种药物洗脱支架。目前临床应用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金、钛合金等几大类，这些支架的置入存在很大的问题，会永久地保留在体内，不能降解，可能需要患者长期服用抗排异的药物。另外，容易出现支架内再狭窄情况，也就是说支架内可能出现再堵塞，需要二次手术，这个风险是很大的。如果选用镁材料，进行可控降解，便可以很好地解决这一问题^[2]。镁合金支架在置入初期可对病变血管产生支撑作用，防止病变血管发生负性重构，随着病变血管周围环境的改善及血管结构重塑的完成，血管壁内的镁合金支架可缓慢腐蚀，最终完全降解^[3]。早在2009年，中国科学院金属研究所和中国医科大学第一附属医院合作研制出“可降解镁合金心血管支架”，经置入动物体内实验发现，这种镁合金支架随着血管结构重塑的完成，可通过缓慢有序降解无毒害作用的方式在体内完全降解，避免了目前不锈钢支架和合金支架因需二次手术或长期存留于血管壁内而导致的内膜增生及再狭窄的发生。这对由意外事故导致伤残及先天性心血管疾病的婴儿、青少年等具有非常重要的治疗意义。镁合金支架的腐蚀产物对生物体不仅没有毒害，而且还可以起到补镁的作用，多余的腐蚀产物会通过人体正常的新陈代谢排出^[4]。血管壁内的镁合金支架可缓慢腐蚀，直至完全降解，这样可以有效避免在置入后期支架对血管壁的刺激而导致内膜增生及再狭窄的发生^[5]。本次实验即对新型血管内可吸收镁合金支架在血管内的应用及生物相容性进行分析。

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材料方法

1.1 设计动物观察实验。

1.2 时间及地点实验于2015年3至5月在南阳市中心医院实验室完成。

1.3 材料

可吸收镁合金支架：由清华大学、哈尔滨工业大学、北京大学第九临床医学院、共同研发，支架采用弧梁混合式结构设计，轴向单元间采用n型连接杆连接，经参数优化的弧梁混合式结构保证了支架的径向力学稳定性，n型连接杆保证了支架轴向的柔顺性。支架截面的梯形比例系数采用1∶4设计，减少对血管壁的接触应力，并改善支架表面的血流动力学状况。产品材料为新型可降解镁合金WE43，具有良好的体内可降解性及置入安全性，具有较好的抗氧化性及腐蚀性，通过结构上的优化设计成功弥补了其材料力学性能上的不足。

实验动物：36月龄普通级防疫杂种犬42只，体质量20-25 kg，雌雄各半，饲养环境和健康状况良好，由北京大学医学部实验动物科学部提供，许可证号：SYXK(京)2013-0032。本次研究相关内容和方法均经本院伦理部门审核并批准，实验设计方案、使用动物品种品系规格、处死动物的方法、项目进行中涉及动物福利和伦理问题等均符合要求。

1.4 方法手术当天清晨，对实验动物进行常规禁食，并利用戊巴比妥(上海弘顺生物科技有限公司)25 mg/kg进行静脉麻醉。待达到麻醉效果之后进行气管插管，于直视条件下切开右股皮肤，逐层分离，暴露右股动脉之后，插入6F动脉鞘(北京万鸿亨业医疗器械有限责任公司)，然后从鞘管按照150 U/kg的标准进行肝素钠注射。于X射线透视条件下，经右股动脉，将6F导引导管插至动物冠状动脉口或者左侧股动脉口，进行相应的动脉造影。造影结束之后，随机置入支架，将支架固定在相应直径的经皮冠状动脉腔内血管成形球囊上。然后将支架通过6F导引导管置入冠状动脉和/或股动脉中段远端，达到理想位置后进行大约15 s的持续释放。释放结束再次进行动脉造影。术后将动脉鞘撤出，妥善缝合穿刺点，并利用青霉素(广州白云山天心制药股份有限公司)对切口进行外敷，之后缝合皮肤，并进行覆盖。支架置入前后均未给予抗凝、抗血小板药物，术后对动物进行常规饲喂，并密切观察动物的表现情况。

1.5 主要观察指标

冠状动脉造影检查：支架置入1 d、3 d、5 d、1周、2周、3周、4周，分别取6只动物进行冠状动脉或者左侧股动脉造影，了解管腔通畅情况，并观察是否出现因支架置入导致的并发症。

炎性因子与血镁水平检测：置入后1，2，3周分别采集动物静脉血送检，检测炎性因子指标与血镁水平。

内膜增生面积组织形态学分析：支架置入1 d、3 d、5 d、1周、2周、3周、4周，麻醉后各处死6只动物，即刻进行靶血管分离，制备血管切片。利用光镜进行血管切片观察和摄相，利用图像分析软件对相应的指标进行测量，包括管腔面积、内弹力板面积、内膜增生面积及其百分比。对每一个大体标本均进行10个断面的非连续测量，并重复3次操作，计算平均值作为最终的结果。

1.6 统计学分析此次研究过程中得到的所有研究数据均录入SPSS 19.0统计学软件，并进行处理。不同时间点的内弹力板面积、内膜增生面积及其百分比等资料不符合正态分布，多组建比较予以单因素方差分析。检测P 值，如果经检测P < 0.05，则提示经比较两组数据间存在统计学差异。

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讨论

冠状动脉狭窄病变是严重威胁人类健康的病变类型，也是目前临床医学最为重要的课题之一。以往治疗大多采用冠脉旁路移植，但需要做大量的准备，住院时间长且对患者造成的伤害较大，影响患者术后生活质量^[6]。随着临床医学水平的不断提高，介入技术开始被积极应用于冠状动脉狭窄治疗之中。冠状动脉介入治疗技术由于疗效好、创伤小、风险低，成为临床治疗各种冠状动脉狭窄病变的重要方式^[7]。随着时代的发展，冠状动脉介入治疗也出现了较大变化，从期初的球囊扩张逐渐发展为支架^[8]。目前，临床使用的支架可以分为不同的类型，包括裸金属支架和药物洗脱支架等，其中镁合金支架是一种重要的支架类型，该支架既具有金属支架的强度，又具有可降解聚合物支架的生物可吸收性，具有独特的优势^[9-10]。

为了保证临床应用效果，需要对镁合金支架的安全性问题进行分析，其中主要影响因素为支架与宿主之间的生物相容性^[11-12]。为此，临床要注意使用具有良好生物相容性的药物支架。在支架内血栓形成方面，以往使用常规支架置入之后较易出现急性支架内血栓形成和炎症现象^[13-15]。这是因为，常规支架大多使用Cr、Ni材料，在Cr、Ni离子的影响下，血管壁受到不同程度的损伤，导致血管硬化等的出现，且Cr、Ni离子无法溶解，容易造成一定的血液毒性等，导致炎症的出现^[16-30]。而镁合金支架在进入机体之后，Mg离子不会对血管壁造成损伤，且支架具有良好的血液相容性^[31-32]，因此，不易导致血小板聚集和血栓形成等情况的出现^[33-36]。王汝朋等^[37]在防疫杂种犬冠状动脉前降支或左回旋支置入可吸收镁合金支架，与未进行支架置入的犬进行比较。通过研究发现，较之对照组，可吸收镁合金支架置入之后不同时间点的血管性血友病因子、局部C-反应蛋白、基质金属蛋白酶9阳性细胞数均出现显著增加情况，但支架置入后1个月的血管性血友病因子、局部C-反应蛋白、基质金属蛋白酶9阳性细胞数较置入后1 d、3 d、5 d、1周显著减少，结果表明可吸收镁合金支架具有良好的组织相容性。本实验在镁合金支架置入后即刻进行动脉造影，未观察到血管夹层和撕裂、穿孔及急性血栓形成等情况。置入之后的不同时间点分别取材进行大体观察，股动脉形态等均处于正常状态，未出现血栓和血管瘤及心肌梗死等，管腔均处于良好的通畅状态。支架置入后1周进行X射线透视，可观察到支架形态完整且呈完全扩张状态。支架置入后，炎性因子水平不断下降。如果生物相容性较差，会导致一定组织反应的出现，对内膜增殖产生抑制作用，导致再内皮化的延迟，导致血栓发生率的上升等^[38-41]。夏永辉等^[42]将镁合金支架置入犬双侧髂外动脉内，观察置入后不同时间的内膜增厚程度、新生内膜成分及形态特点。结果显示，术后早期可见少量的炎性细胞，置入后3个月出现十分明显的内膜增生现象。本实验中，在支架置入后2周开始出现轻微的内膜增生，且随着时间的推移，增生面积逐渐增大，内膜增生面积百分比也逐渐增大。以往的支架大多不具备可降解性，镁合金支架则具有良好的可吸收性^[42-44]，在进入机体一段时间之后，可随着时间的推移逐渐被降解^[45]。支架置入后降解速度越块，越有利于降低支架内血栓形成的发生率，避免出现再狭窄形成等^[46-49]。因此，在选用支架的过程中，要注意对其可降解性进行分析。王金瑞等^[50]将AZ31B镁合金激光镂空雕刻成球囊扩张可膨式胆道支架，通过模拟人体胆道内环境，建立体外动态数值化模拟系统的方式，对镁合金胆道支架的降解情况进行研究。研究发现，镁合金胆道支架可以适宜的速度逐渐降解，符合临床关于胆道支架降解的时间要求。本实验中，置入后1 d，支架形态完整，呈完全扩张状态；置入后3 d，支架出现部分降解现象；置入后1周，支架完全降解，即表明在置入之后短时间内镁合金支架即可被降解。另外，研究结果还显示，动物术前、术后不同节点的血镁浓度相比无明统计学差异(P > 0.05)，即表明镁合金支架不会影响动物内的镁离子浓度，组织生物相容性好，符合医学生物材料要求。但受到入组实验动物数量和分组情况及观察时间点设置等因素的影响，此次实验所得到的相关结果及相应的结论可能存在一定的片面性和不准确。因此，研究还存在一定的不足之处，还需要在今后的研究中予以进一步完善和分析。

综上所述，新型血管内可吸收镁合金支架在置入动物体内1周即可完全降解，早期未出现血栓形成和炎症，具有良好的生物相容性和临床应用可能性。

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