吳 凡， 王 韜

(同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院急診創(chuàng)傷外科，上海 200123)

在骨科、血管外科、心內(nèi)科等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，植入性醫(yī)用材料均得到了廣泛的應(yīng)用。自從1986年Sigwart等[1]報(bào)道了第一個(gè)冠脈擴(kuò)張支架的植入以來(lái)，血管支架經(jīng)歷了從金屬裸支架、藥物涂層支架到可降解血管支架的蛻變，而不斷的改進(jìn)都是為了避免對(duì)血管的不利影響，將支架的力學(xué)支撐作用發(fā)揮到最大。

從最初的以不銹鋼、鈦合金為代表的裸金屬血管內(nèi)支架，到藥物涂層支架和聚乳酸(polylactic acid, PLA)可降解高分子支架，對(duì)于心腦血管狹窄、栓塞等的治療均起到了良好的效果。但是對(duì)血管順應(yīng)性的不利影響、再狹窄、栓塞等是目前臨床應(yīng)用面臨的風(fēng)險(xiǎn)。醫(yī)學(xué)上常用的血管支架材料主要以不銹鋼、鈷鉻合金、鎳鈦合金以及高分子聚合物為主。這些材料均不可降解，植入人體后作為異物會(huì)永久支撐于血管管腔[2]，長(zhǎng)期刺激血管內(nèi)皮細(xì)胞，容易形成新的血栓和血管再狹窄，長(zhǎng)期植入可能引發(fā)炎癥和潛在的復(fù)雜的過(guò)敏反應(yīng)[3-4]。因此，研制一種可降解的血管支架，使其在體內(nèi)自行降解，不會(huì)因長(zhǎng)期存在體內(nèi)刺激血管再次發(fā)生病變就顯得尤為重要[5]?？山到庵Ъ艿亩x即在擴(kuò)張時(shí)，為血管提供足夠的徑向支撐力，早期盡可能地減少血管回彈，而當(dāng)血管完成重構(gòu)時(shí)，血管支架可以逐漸地進(jìn)行生物降解，最終血管支架完全降解，同時(shí)血管隨著調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)新的平衡[6]。

近年來(lái)，鎂基材料作為有著良好的生物相容性和可降解性能的可植入的醫(yī)用材料逐步走進(jìn)臨床，在血管內(nèi)植入亦可避免長(zhǎng)期植入的并發(fā)癥，正逐步成為新的研究熱點(diǎn)。本文將對(duì)可降解鎂基材料作為血管內(nèi)支架對(duì)外周血管的影響、機(jī)制以及可降解血管支架的應(yīng)用現(xiàn)狀、前景進(jìn)行綜述。

1 可降解鎂基支架的特性

1.1 鎂的化學(xué)特性

鎂作為人體必需的常量元素[7]，在人體血漿中的正常濃度在0.5～1.5 mmol/L，是人體內(nèi)儲(chǔ)量第4的陽(yáng)離子[8]。鎂本身具有擴(kuò)血管、降低血管阻力、抗心律失常等作用。鎂基材料在人體內(nèi)通過(guò)以下反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，且具有抗氧化作用，并能清除人體內(nèi)的羥基和過(guò)氧亞硝基: Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2↑。鎂作為必要的輔助因子，參與超過(guò)325個(gè)不同的酶促反應(yīng)。通過(guò)調(diào)節(jié)人體膽固醇含量，減少心血管疾病的發(fā)生[9]。可見(jiàn)鎂元素在人體的新陳代謝中扮演重要作用[10]。由于人體中鎂的吸收和排泄保持動(dòng)態(tài)平衡，血清鎂水平可以保持不變，見(jiàn)圖1。

圖1 人體內(nèi)鎂元素的吸收、排泄動(dòng)態(tài)平衡分布圖Fig.1 The distribution of dynamic absorption and excretion equilibrium of Mg in human body

然而鎂基材料也具有一定程度的細(xì)胞毒性，可導(dǎo)致嚴(yán)重的溶血反應(yīng)[11]。Zhen等[12]通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論: (1)酸堿度(potential of hydrogen, pH)是鎂基材料植入后導(dǎo)致溶血反應(yīng)的主要因素，pH>11時(shí)溶血率驟升至53.8%。(2)Mg2+濃度過(guò)高是導(dǎo)致細(xì)胞毒性的主要因素，Mg2+>300 μg/mL時(shí)細(xì)胞死亡率大大增加。高濃度Mg2+和高堿環(huán)境均是導(dǎo)致不利影響的原因，因此可降解鎂支架應(yīng)用于血管內(nèi)就一定要控制好降解速率，做到勻速、緩慢，避免局部Mg2+濃度或pH過(guò)高，使鎂基材料“揚(yáng)長(zhǎng)避短”，最大程度地發(fā)揮其生物作用。

1.2 鎂的機(jī)械性能

鎂基材料具有較好的機(jī)械性能，彈性回縮率低。與鈦合金、不銹鋼等材料相比，鎂基支架可以提供等同的徑向支撐作用。與左旋聚乳酸支架20%的彈性回縮率相比，鎂基支架的這一項(xiàng)數(shù)據(jù)僅有5%[13]。鎂合金彈性模量為20 000～40 000 Mpa，不到鈦合金的一半，能有效緩解應(yīng)力遮擋效應(yīng)[14]。由于鎂合金抗壓強(qiáng)度較高，因此不僅可用于血管支架的制備，還是最適合用于接骨板的金屬材料。并且，鎂基材料植入后明顯改善血管的舒張功能[15]。在可降解支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究中，首先應(yīng)考慮支架擴(kuò)張后的最大主應(yīng)變是否超過(guò)材料的最大延展率，以防止支架發(fā)生斷裂。其次應(yīng)考慮可降解支架材料彈性模量低和塑性變形差所導(dǎo)致的支撐力嚴(yán)重不足的問(wèn)題。最后應(yīng)考慮支架的可降解性，避免影響病變血管的修復(fù)及重構(gòu)[16]。

1.3 鎂的降解速率

如何平衡可降解材料的降解速率與力學(xué)性能的關(guān)系是評(píng)價(jià)血管內(nèi)支架臨床效果的關(guān)鍵。一般認(rèn)為6～12個(gè)月是血管功能恢復(fù)所需時(shí)間，因此可降解支架合理的完全降解時(shí)間應(yīng)該為12～24個(gè)月[17]。

理論上降解應(yīng)緩慢開(kāi)始，以保持機(jī)械完整性，為組織愈合提供時(shí)間和強(qiáng)度支持[18]。然而鎂合金降解速率過(guò)快，在初始階段強(qiáng)度就急劇下降。為了解決鎂降解快、晚期血栓形成等問(wèn)題，提高鎂合金支架的性能，各種多元素復(fù)合合金以及涂層材料相繼面世。

1.3.1 復(fù)合合金 低濃度稀土元素的加入，既能增加鎂基材料的機(jī)械性能，又能降低其降解速率。Ce、Nd、Y、Yb、RE等稀土金屬都已投入到血管內(nèi)支架的使用。Zhou等[19]通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)Mg-Li-Al-RE合金能有效抑制平滑肌細(xì)胞的增生。值得注意的是，添加稀土元素的濃度不同，合金的生物特性也不同。低濃度(5 μg/mL)稀土元素的添加不會(huì)對(duì)血管平滑肌細(xì)胞增生造成不利影響，甚至能一定程度上抑制平滑肌細(xì)胞的增生，但高濃度(50 μg/mL)稀土元素的添加會(huì)上調(diào)炎癥因子相關(guān)基因的表達(dá)，如白介素-6、白介素-8和細(xì)胞間黏附分子-1基因[20]。

上海交通大學(xué)研發(fā)的Mg-Nd-Zn-Zr合金(JiaoDaBioMg, JDBM)在體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)中也均表現(xiàn)出良好性能[10]。JDBM分為JDBM-1及JDBM-2這兩種，JDBM-1強(qiáng)度高，主要用于骨科領(lǐng)域的植入；JDBM-2塑性高，主要用于心血管內(nèi)科的植入[10]。兩種合金與純鎂相比，抗腐蝕性、細(xì)胞相容性均有提高，同時(shí)JDBM合金還具有良好的抗菌性能和極低的毒性[21]。譚晉韻等[22]將JDBM合金植入兔腹主動(dòng)脈內(nèi)，2個(gè)月內(nèi)支架通暢，未見(jiàn)支架內(nèi)血栓形成，血管彈性較金屬裸支架相比明顯改善。可見(jiàn)，與稀土金屬制成合金成為提升鎂金屬支架性能的重要方法。

1.3.2 表面改性 與制成合金相比，成本更低、方法更靈活的“表面改性”成為近年來(lái)逐漸被接受的一種材料改進(jìn)方式。由于鎂基材料植入體內(nèi)后，腐蝕等各種生物反應(yīng)首先發(fā)生“植入物-組織”界面，因此，包括血液相容性、細(xì)胞相容性、抗腐蝕性等在內(nèi)的表面性能對(duì)于材料植入過(guò)程就顯得尤其重要。

鍍?cè)阪V基材料表面的“外衣”可以是化學(xué)藥物或成分，如Mg(OH)2，MgF2，阿魏酸(ferilic acid, FA)等。藥物洗脫支架不但可以對(duì)血管進(jìn)行擴(kuò)張，促進(jìn)成血管，而且可以避免出現(xiàn)血管局部炎癥。Zhang等[23]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究FA洗脫鎂合金支架對(duì)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的影響，得到結(jié)論: FA洗脫后的鎂合金支架能增強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞的黏附、遷移、增生，并加快內(nèi)皮化的進(jìn)程，對(duì)于血管愈合再生過(guò)程具有積極的作用。王青等[24]在JDBM合金表面復(fù)合可生物降解的鈣磷(CaHPO4·2H2O,DCPD)涂層，制成JDBM-DCPD支架材料。他們發(fā)現(xiàn)JDBM-DCPD支架在體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出優(yōu)良的成血管效應(yīng)，特別是在體內(nèi)植入后可以實(shí)現(xiàn)早期血管化，從而更加有效地促進(jìn)骨再生。其主要依賴(lài)JDBM-DCPD鎂合金支架緩釋出來(lái)的適宜的Mg2+濃度促進(jìn)了酪氨酸激酶/非受體型酪氨酸蛋白激酶2信號(hào)通路上前體破骨細(xì)胞分泌的血小板衍生生長(zhǎng)因子BB的表達(dá)實(shí)現(xiàn)[25]。可見(jiàn)在鎂及鎂合金血管支架上載藥進(jìn)行局部治療不僅是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，而且是整個(gè)植入性醫(yī)療器械的發(fā)展趨勢(shì)[26]。

同樣的，“外衣”也可以是高分子化合物，如聚三亞甲基碳酸酯(polyethylene methyl carbonate, PTMC)、聚己內(nèi)酯(polycaprolactone,PCL)、聚乳酸-羥基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA]、聚酯脲(polyester urea, PEUU)等，都是合金“外衣”的選擇。Perkins等[27]的研究表明，PEUU保護(hù)合金、抗腐蝕能力最強(qiáng)，PCL抗腐蝕性最差。Wang等[28]通過(guò)52周的體外實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，鍍上PTMC“外衣”后，體積損失、腐蝕產(chǎn)物大幅減少，降解速度得到了緩解。同時(shí)，鎂合金支架表面紅細(xì)胞和血小板黏附量大大減少，從而使支架血栓形成的問(wèn)題同時(shí)得以克服?？梢?jiàn)，高分子化合物涂層既能幫助鎂基支架減慢降解速率，還能對(duì)血管發(fā)揮積極的影響，是一種合適的涂層材料。

單一的高分子涂層往往無(wú)法滿足既提高鎂合金的耐蝕性又提高生物活性的目的[29]，因此，高分子化合物與化學(xué)藥物制成的復(fù)合物“外衣”就得到了廣泛應(yīng)用。Zhu等[2]通過(guò)將新型聚乳酸/雷帕霉素涂層的JDBM鎂合金植入豬的冠狀動(dòng)脈模型中，發(fā)現(xiàn)其有效降低了合金的降解速率，同時(shí)抑制了平滑肌細(xì)胞的黏附。

1.4 對(duì)平滑肌、內(nèi)皮細(xì)胞的作用

如何有效抑制平滑肌、內(nèi)膜增生，控制血管腔狹窄進(jìn)程，是醫(yī)療各領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。在血管內(nèi)支架領(lǐng)域，可降解鎂基材料能夠達(dá)到抑制平滑肌增生，加速內(nèi)皮化進(jìn)程的作用。

此前有研究表明，鎂離子的增加可以阻止頸動(dòng)脈內(nèi)膜增厚、促進(jìn)頸動(dòng)脈內(nèi)皮化[30]，顯然，這些反應(yīng)均是對(duì)心血管有利的。Sternberg等[31]的體外實(shí)驗(yàn)支持這一結(jié)論。他們將人冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞與6.25～25 nmol/L濃度的MgCl2溶液共同培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，平滑肌細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄減少，而內(nèi)皮細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄異?；钴S。也就是說(shuō)，一定范圍濃度內(nèi)的鎂離子能抑制平滑肌細(xì)胞增生，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞增生。這對(duì)血管植入材料領(lǐng)域來(lái)說(shuō)是相當(dāng)有優(yōu)勢(shì)的。他們通過(guò)基因表達(dá)分析還發(fā)現(xiàn)，與鎂離子體外培養(yǎng)后，平滑肌細(xì)胞中的mRNA表達(dá)變化豐富，而內(nèi)皮細(xì)胞中幾乎沒(méi)有變化。鎂離子可以下調(diào)部分生長(zhǎng)因子及其受體、下調(diào)膠原蛋白相關(guān)基因的表達(dá)、下調(diào)細(xì)胞周期相關(guān)基因等途徑來(lái)抑制平滑肌細(xì)胞增生，見(jiàn)圖2。而鎂離子促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞增生主要是通過(guò)調(diào)控鎂參與的生理反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，如作為酶促反應(yīng)的輔因子、調(diào)節(jié)離子通道的開(kāi)關(guān)等。

圖2 鎂上調(diào)或下調(diào)的生長(zhǎng)因子及其受體的基因Fig.2 Growth factor and growth factor receptor genes up-or down-regulated by Mg

1.5 炎癥反應(yīng)

支架、吻合器內(nèi)植物等植入后，血管內(nèi)膜產(chǎn)生機(jī)械性損傷，同時(shí)降解帶來(lái)的化學(xué)反應(yīng)激活血小板、中性粒細(xì)胞、單核巨噬細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞等炎癥細(xì)胞，大量的細(xì)胞因子、趨化因子、黏附分子分泌、釋放，從而激發(fā)瀑布式的炎癥反應(yīng)。

鎂基材料造成的這種炎癥反應(yīng)輕微是其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。Karamanli等[32]的人體實(shí)驗(yàn)證實(shí)，血清中鎂離子含量越低，C反應(yīng)蛋白值越高，體內(nèi)炎癥反應(yīng)越嚴(yán)重。也就是說(shuō)，低水平的鎂離子與機(jī)體慢性炎癥反應(yīng)密切相關(guān)。

Rais等[33]通過(guò)將熒光素酶表達(dá)的骨髓細(xì)胞注射到野生型小鼠血液循環(huán)，定期觀察熒光強(qiáng)度這一方法，評(píng)估Ti、Mg、PLGA等醫(yī)用植入材料的炎癥反應(yīng)。結(jié)果顯示純鎂植入物的炎癥反應(yīng)最輕微，鈦片炎癥反應(yīng)適中，PLGA的炎癥反應(yīng)最強(qiáng)烈。鎂基材料造成的機(jī)體局部炎癥反應(yīng)輕微這一結(jié)論再次得到了證實(shí)。

鎂基材料具有一定程度的抗菌抗炎性能[34]，其機(jī)制可能在于鎂降解產(chǎn)生的OH-表現(xiàn)為堿性，導(dǎo)致局部pH的增高，而細(xì)菌的最佳生長(zhǎng)pH為7.4～7.6[35]。因此從pH的方向抑制了細(xì)菌的生長(zhǎng)，達(dá)到了抗菌的作用。另有學(xué)者認(rèn)為鎂離子的抑菌性能在于細(xì)菌胞膜外高濃度的金屬陽(yáng)離子破壞了原內(nèi)外離子濃度差，形成新的內(nèi)外濃度差，從而阻礙一些細(xì)胞生長(zhǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。

2 可降解鎂基血管內(nèi)支架的臨床應(yīng)用展望

2.1 生物可降解支架的現(xiàn)狀

生物可降解支架(bioresorbable vascular scaffold, BRS)是主要分為可降解金屬支架和可降解聚合物支架。可降解聚合物支架是以聚合物為支架主體，在人體內(nèi)發(fā)揮作用后降解成水和二氧化碳。而可降解金屬支架以金屬為支架主體，降解成對(duì)人無(wú)害或低毒物質(zhì)。兩者都能被人體吸收亦或被人體排出體外，不會(huì)在人體內(nèi)長(zhǎng)期留存。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外已有多種可降解聚合物支架在臨床試驗(yàn)中進(jìn)行檢驗(yàn)。美國(guó)雅培公司的生物可吸收血管支架(bioresorbable vascular scaffold, BVS)Absorb是開(kāi)展臨床研究最多的。第1代BVS是一種依維莫司洗脫支架，支柱厚度為150 μm，由主鏈的左旋聚乳酸(L-polylactic acid, PLLA)和外消旋聚乳酸(DL-polylactide, PDLLA)的共聚物組成。臨床驗(yàn)證表明，BVS增加了靶血管心肌梗死等不良事件的發(fā)生率。受此影響，國(guó)外許多機(jī)構(gòu)及器械公司于2017年先后叫停BVS的臨床應(yīng)用。雅培第一代BVS雖然已經(jīng)退市，新一代BVS研發(fā)正緊鑼密鼓地展開(kāi)。降低支架梁厚度必然是新一代BRS的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。[36]

與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)BRS的研究不斷取得進(jìn)展。國(guó)內(nèi)BRS的代表主要有由葛均波院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)的XINSORB支架，以及韓雅玲院士牽頭研發(fā)的Neovas支架。XINSORB支架的骨架由PLLA制成，表面涂有右旋聚乳酸、PLLA及西羅莫司的混合物，支桿厚度為150 μm。NeoVas支架骨架也由PLLA制成，并涂有PDLLA及西羅莫司的混合物，支桿厚度為170 μm。這兩種支架的器械成功率和手術(shù)成功率都達(dá)到了100%，并且沒(méi)有導(dǎo)致心源性死亡、心肌梗死等不良反應(yīng)的報(bào)道，臨床效果良好。

不過(guò)，國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)表明，以上可降解聚合物支架的主要缺點(diǎn)在于: (1) 聚合物的降解會(huì)引起慢性炎癥反應(yīng)，刺激平滑肌細(xì)胞增殖、白細(xì)胞大量涌入和基質(zhì)沉積。(2) 脆性高，熱變形溫度低，徑向支撐性能差，需要設(shè)計(jì)得更厚才能保證其徑向支撐性能。而過(guò)厚的支架影響病變動(dòng)脈的血流動(dòng)力學(xué)，造成動(dòng)脈粥樣硬化，影響血管恢復(fù)。(3) 支架置入后，內(nèi)皮功能異常，導(dǎo)致支架內(nèi)血栓形成。植入BRS可能需要更長(zhǎng)時(shí)間的雙重抗血小板治療。(4) 聚合物不能被X射線顯影，必須要添加金屬顯影標(biāo)記，隨著支架慢慢降解，顯影標(biāo)記脫落，無(wú)法準(zhǔn)確判斷后期支架降解情況。[37]

鎂基材料生物相容性良好，其保持了金屬材料所特有的優(yōu)異綜合力學(xué)性能以及可加工成型性能，因而具有可與其他類(lèi)型生物可降解材料相競(jìng)爭(zhēng)的應(yīng)用前景[38]。與可降解聚合物支架相比，鎂基血管支架具有以下優(yōu)勢(shì): (1) 支架更薄，具有更強(qiáng)的機(jī)械支撐強(qiáng)度。(2) 鎂基支架可以進(jìn)行電拋光，以使支柱表面更光滑。(3) 鎂本身由于其負(fù)表面電荷而顯示出抗血栓形成的特性。(4) 鎂不會(huì)干擾或妨礙磁共振成像及放射性影像學(xué)檢查。然而，其也有以下不足: (1) 鎂基材料在體內(nèi)降解快，過(guò)早的降解使支架不連續(xù)，增加支架內(nèi)血栓的風(fēng)險(xiǎn)。(2) 塑形性能差，在血管內(nèi)部不均勻降解。

2.2 發(fā)展前景

如何平衡鎂基金屬材料降解速度與力學(xué)性能的關(guān)系，目前解決這一問(wèn)題的方法主要是與稀土金屬制成合金，或者在材料表面鍍上高分子化合物，或者涂上免疫抑制劑等藥物涂層。這些方法的效果良好，使鎂基材料的降解速率有效減慢。如何通過(guò)控制稀土合金金屬的添加量、提高純度、合理的涂層，定量地調(diào)節(jié)鎂基材料的降解速率，還有很大的研究空間。

為了更好的規(guī)避血管不良反應(yīng)，從分子生物學(xué)層面解釋鎂基材料植入后血管再狹窄的形成，也成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，小凹蛋白-1(Caveolin-1)在血管平滑肌增生、血管狹窄中扮演的角色得到了重視。Caveolin-1可以通過(guò)抑制有絲分裂原活化蛋白激酶等信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、抑制炎癥因子表達(dá)、調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞周期等機(jī)制抑制平滑肌的增生。然而鎂基材料植入后，血管再狹窄等血管反應(yīng)是否受Caveolin-1的調(diào)控作用，通過(guò)哪一種信號(hào)通路調(diào)控，都有待不斷深入研究。

目前，國(guó)內(nèi)2019年上市的Magmaris可降解鎂合金血管支架是唯一可用的可降解鎂合金血管支架[37]。除了鎂合金血管支架外，可降解鐵合金、鋅合金等血管支架也在同步研究中[39-40]，目前都處在研發(fā)各階段。因此，可降解血管支架這一課題仍然具有較大的研究?jī)r(jià)值和發(fā)展空間。可降解生物醫(yī)用材料的發(fā)展，結(jié)合了醫(yī)學(xué)、化工學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)以及力學(xué)等多個(gè)學(xué)科[41-42]，為了避免重復(fù)研究和資源浪費(fèi)，研究者們未來(lái)要不斷加強(qiáng)跨學(xué)科合作。