金属学报  2017 , 53 (10): 1227-1237 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00270

研究论文

血管支架用可降解金属研究进展

郑玉峰, 杨宏韬

北京大学工学院材料科学与工程系 北京 100871

Research Progress in Biodegradable Metals forStent Application

ZHENG Yufeng, YANG Hongtao

Department of Materials Science and Engineering, College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China

中图分类号:  R318.08

文章编号:  0412-1961(2017)10-1227-11

通讯作者:  通讯作者 郑玉峰,yfzheng@pku.edu.cn, 主要从事新型医用金属材料的研究

收稿日期: 2017-07-4

网络出版日期:  2017-10-11

版权声明:  2017 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部

基金资助:  国家重点研发计划项目No.2016YFC1102402和国家自然科学基金重点项目 No.51431002

作者简介:

作者简介 郑玉峰,男,1973年生,教授,博士

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摘要

在过去的20年间,随着对可降解金属研究的不断深入,从合金成分设计到熔炼制造加工,从毛细管到支架激光加工和药物涂覆等相关技术不断成熟。可降解金属支架也从一个概念发展为实际产品,并形成3个材料体系分支:可降解镁合金支架已经开展了大量的动物实验和临床实验,结果显示其良好的表现和临床安全性,Biotronik公司生产的可降解镁合金产品Magmaris在2016年获得CE认证;可降解铁合金支架目前处在动物实验阶段,注氮铁合金支架具有优异的力学性能,动物实验结果显示注氮铁支架具有良好的生物相容性;可降解锌合金支架近几年才得到人们的关注,目前的体内动物实验研究结果显示,纯Zn丝在小鼠体内具有良好的降解性能和生物相容性,暂未见体内支架研究报道。本文在综合评述可降解金属支架材料的研究现状基础上,展望了可降解金属支架在性能优化、药物洗脱和智能化方面的未来发展趋势。

关键词: 可降解金属支架 ; 镁合金 ; 铁合金 ; 锌合金 ; 生物相容性 ; 体内实验 ; 降解机制

Abstract

During the last two decades, a great amount of researches have been focused on biodegradable metals. Technologies from alloy design to melting, manufacturing and processing, from micro-tube to stent laser processing and drug eluting coating have been improved and optimized continuously. Biodegradable metallic stent has evolved from a concept to a real product and generated three branches of material system. A large amount of animal tests and clinical tests have been carried out to investigate biodegradable magnesium stents. Results of clinical study have indicated that the magnesium stent is feasible, with favourable safety and performance outcomes. More importantly, Biotronik won CE Mark for Magmaris bioresorbable stent in 2016. Researches of biodegradable iron stents are still in the stage of animal tests. The nitrided iron stent possesses excellent mechanical properties. Results showed a good long-term biocompatibility of nitrided iron stent in rabbit and porcine model. Biodegradable zinc stent has only been introduced in recent years. Only a few in vivo studies have been reported with zinc wires implanted in rats. Results showed a good degradation behavior and biocompatibility of zinc wires. In this paper, the current research status of biodegradable metallic stents is reviewed, and the future research and development in mechanical property optimization, drug eluting and intelligence is proposed.

Keywords: biodegradable metallic stent ; magnesium alloy ; iron alloy ; zinc alloy ; biocompatibility ; in vivo ; degradation mechanism

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郑玉峰, 杨宏韬. 血管支架用可降解金属研究进展[J]. 金属学报, 2017, 53(10): 1227-1237 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00270

ZHENG Yufeng, YANG Hongtao. Research Progress in Biodegradable Metals forStent Application[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2017, 53(10): 1227-1237 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00270

可降解金属支架是一类在早期能够为损伤血管提供足够的力学支撑,在完成血管修复任务之后,在不引起局部和系统毒性的前提下,以合适的速率被机体降解吸收的新一代血管支架[1]。目前可降解金属支架材料主要有镁合金、铁合金和锌合金3类[2]。随着对可降解金属大量研究的开展,从最初的合金筛选、变形加工到最终的支架设计和制造,可降解金属支架制备的整个工艺流程逐渐成熟。通过计算机辅助设计,如第一性原理分析,可以获得大量指导性的信息,从而以更少的时间和成本筛选优化合金体系,设计出综合力学性能更加优异的可降解金属材料。通过随后的加工变形过程,如挤压、轧制、锻造和大塑性变形,材料的微观组织和力学性能得到显著地改善和提高。薄壁毛细管材的制备是可降解金属支架制备中最关键的步骤之一,特别是对于拥有hcp结构,塑性较差的Mg和Zn而言。已有利用镁合金,如AZ31[3]、WE43、JDBM[4]和纯Zn[5]成功制备出毛细管的报道;随后,通过有限元分析支架在血管环境中的应力分布和降解行为,优化支架结构,设计出与植入部位相匹配的可降解金属支架结构[6];最后,通过机械加工、激光切割、抛光和消毒,制备出可降解金属支架。Biotronik公司生产的Magmaris镁合金支架,支架梁厚度为150 μm,回弹为4.94%,支架最大截面尺寸为1.44 mm[7]。先健科技有限公司研发的注氮铁支架,支架梁厚度可以达到70 μm,回弹为2.21%,支架最大截面尺寸为0.99 mm,径向支撑力为171 kPa[8]。在体实验都证实了这2款支架的体内安全性和良好的生物相容性[7,8]

理想的可降解金属支架在植入体内之后,其降解行为和力学完整性的丧失能够与血管修复过程相互匹配,如图1[1]所示。理论上,在球囊扩张之后血管会产生损伤,损伤血管的修复一般可以分为3个阶段:炎症阶段,包括血小板沉积和炎症细胞浸润;新生内膜阶段,包括内皮细胞迁移到血管损伤部位和平滑肌细胞增殖;血管重塑阶段,包括细胞外基质的沉积和血管重塑。为了实现支架在血管重塑期间提供足够的力学支撑,在植入前期支架应该降解缓慢,血管重塑一般在90~120 d完成。之后,支架以合适的速率逐渐降解,产生的降解产物不引起周围组织的不良反应,支架的完全降解大约预期在12~24个月。但是这个过程主要由支架材料和植入部位决定。由于缺乏足够的临床数据,关于支架力学完整性所要维持的时间还有待进一步研究。

图1   血管修复过程中可降解支架降解行为与力学完整性的匹配[1]

Fig.1   Schematic diagram of degradation behavior and the change of mechanical integrity of biodegradable metallic stents during the vascular healing process[1]

图2   可降解镁合金AMS-3.0体内降解机制[23]

Fig.2   SEM images (upper panels) and EDX mapping of AMS-3.0 degradation products (lower panels, unrelated to upper panels) (At 28 d, non-degraded magnesium-alloy particles had been surrounded by magnesium, calcium, and oxygen, probably in the form of MgCO3 or Mg(OH)2 or both, which could not be differentiated without further analysis. At 90 d, magnesium-alloy area was reduced, while oxidated (yellow) areas had become partly replaced at their outer margins by a calcium-phosphorous-oxygen compound (bluish area). Raman and infrared spectroscopy combined with X-ray diffraction analysis clarified that this was calcium phosphate with amorphous structure. At 180 d, no remaining metallic particles were noted)[23]

对于可降解支架材料的各项性能参数有具体的标准,详见表1[9]。对于可降解支架材料的要求可以总结为以下2点:第一,支架材料必须有良好的生物相容性,材料本身和其降解产物能被人体代谢吸收;第二,支架材料的降解特性使其在早期能够提供损伤血管足够的径向支撑力,而后逐渐被降解吸收。本文主要从可降解金属支架材料在血管中的作用、在体实验、体内降解机制和面临的挑战等几个方面进行阐述,并展望其未来发展趋势。

表1   可降解支架材料性能要求[9]

Table 1   Summary of material criteria and constraints for a biodegradable stent[9]

CriterionConstraint
BiodegradationMechanical integrity for 3~6 months; Full absorption in 12~24 months
BiocompatibilityNon-toxic and non-inflammatory; No allergenic potential; No harmful
release or retention of particles
MechanicalYield strength>200 MPa; Ultimate tensile strength>300 MPa; Yield
propertiesstrength : elastic modulus ratio>0.16; Elongation to failure>15%~18%;
Elastic recoil on expansion<4%
MicrostructureHomogeneous and approximately isotopic
Small grain size<30 μm
Corrosion ratePenetration rate<0.02 mma-1

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1 可降解镁合金

1.1 Mg2+与心血管

Mg是人体必需的一种微量元素,人体中正常含量在25 g。Mg2+在血浆中的浓度大约为0.70~1.05 mmol/L,人体每日摄入量大约为350 mg。Mg具有多种特殊的生理功能,与生命的维持、身体的健康有着极其密切的关系。它能激活体内多种酶,抑制神经异常兴奋性,维持核酸结构的稳定性,参与体内蛋白质的合成、肌肉收缩及体温调节。Mg还影响K+、Na+和Ca2+细胞内外移动的“通道”,并有维持生物膜电位的作用[10]。Mg对心血管活动具有重要的调节作用[11,12],可以用于降低高血压、治疗急性心肌梗死和预防动脉粥样硬化。Mg2+和Ca2+具有拮抗作用,通过竞争离子通道和特定结合位点,Mg2+可以抑制Ca2+进出肌浆的活性,从而抑制心肌细胞线粒体Ca2+过载引起的心率失常[13]。同时Mg还可以减少全身和肺血管阻力,减少儿茶酚胺的释放,引起血压下降。细胞外Mg的增加可以减少动脉张力,并且加强某些内源性血管扩张物质(腺苷、钾和某些前列腺素)和外源性血管扩张药(异丙肾上腺素和硝普钠)的作用。Mg可以通过减少冠状动脉痉挛从而改善局部心肌血流,另外Mg影响血液凝固,抑制血小板聚集,降低高密度脂蛋白含量,抑制脂质在动脉壁的沉积从而预防动脉粥样硬化。通过新陈代谢,Mg主要转化为人体耐受性较好的氯化物、氧化物、硫化物和磷酸盐等产物。Mg在含有Cl-的体液环境中降解速率较快,快速降解会导致Mg的降解产物在局部组织堆积,可能引起内膜增生。同时,过快的降解会使支架因过早的丧失径向支撑力而失效。因此,通过加入其它合金元素可以有效地降低Mg的降解速率。体外细胞实验显示,镁合金浸提液对于人脐静脉内皮细胞(ECV403)和平滑肌细胞(VSMC)均显示出良好的生物相容性[14]。体外细胞实验还显示,低浓度的Mg2+ (10 mmol/L)可以促进平滑肌细胞增殖、黏附、迁移和相关蛋白表达,高浓度Mg2+ (40~60 mmol/L)则作用相反。Mg2+可以调控与细胞增殖、黏附、损伤、新生血管、炎症、凝血相关的基因表达[15]。低浓度的Mg2+ (10 mmol/L)也可以促进内皮细胞的增殖和迁移,并调控相关基因表达。Mg2+对于内皮细胞的半最大效应浓度(EC50)为66.7 mmol/L[16]

1.2 在体实验

目前,国际上对可降解镁合金支架的研究较为深入,已经进行了一定数量的动物实验和临床实验,详见表2[17-29]。用于可降解支架的镁合金体系有AE21、AZ91、AZ31B和WE43,体内降解时间从7 d~1 a不等,主要集中在4~12个月。其中WE43镁合金支架经过从最初的AMS系列到最终的DREAMS 2G,在支架结构和载药体系上都有了很大的改进,是目前研究最为深入的一种镁合金体系。对于药物洗脱镁合金支架,现有的研究较少,主要的载药体系有P(LA-TMC)+sirolimus、PLGA+paclitaxel和PLLA +sirolimus 3种。可降解镁合金支架的动物模型主要为猪的冠状动脉,其临床实验目前已经进行了200多例。

表2   可降解镁合金支架体内实验[17-29]

Table 2   In vivo tests of biodegradable Mg based stents[17-29]

TestStent systemExperimentBiocompatibilityDegradationRef.
modeltime
AnimalAE21DomesticNo thromboembolic events, 40% loss of89 d[17]
testpigs, coronarylumen diameter corresponding to
arteryneointimal formation, 25% re-enlargement
caused by vascular remodeling resulting
from the loss of mechanical integrity
between days 35 and 56
AZ91Dogs,Lumen was clear and no elastic recoil and7 d[18]
coronary orthrombosis, moderate intimal hyperplasia
femoral arteryat 14 d
AZ31BRabbits,Lumen area was significantly greater, the120 d[19]
P(LA-TMC)+abdominalneointimal area was significantly smaller
sirolimusaortaand endothelialization was delayed at 30 d
in coated group
WE43Minipigs,Inhibitory effect on the smooth muscle98 d[20]
coronarycells, rapid endothelialization, thin layer of
arteryneointima covering the stent after 6 d,
degradation caused inflammation and
intimal hyperplasia
AMSPigs,No signs of ongoing inflammation,2 months[21]
coronarysmallest lumen area at 3 months because
arteryof negative vascular remodeling
AMSPigs,Safe and with less neointimal formation-[22]
coronarycompared with stainless stent, lumen area
arterydid not change
AMS-3.0Pigs,Equivalent to TAXUS Liberte regrading180 d[23]
PLGA+coronarylate luminal loss, intimal area, fibrin
paclitaxelarteryscore and endothelialization. Inflammation
score was high at 28 d but disappeared at
later time
ClinicalAMSPreterm baby,No relevant inflammatory reaction to the5 months[24]
studypulmonarystent material, minimal alteration of the
arteryvessel wall and an increase of the arterial
diameter after stenting
AMSNewborn,15 d after implantation, blood velocity-[25]
aortic archincreased significantly, blood perfusion
recovered, lumen diameter increased
from 1.5~1.8 mm to 2~2.8 mm
AMS20 patientsThe clinical patency rate was 89.5% after 3-[26]
months, no blood toxicity was found
PROGRESS-63 patientsNo myocardial infarction, subacute or late4 months[27]
AMSthrombosis, or death. Angiography at 4
months showed an increased diameter
stenosis of 48.4. Overall target lesion
revascularization rate was 45% after 1 a.
Neointimal growth and negative
remodeling were the main mechanisms
of restenosis
Biosolve-I46 patientsTarget lesion failure was 7% at 12 months.-[28]
DREAMS,A significant reduction of lumen area at 6
PLGA+months and 12 months follow-up. No cardiac
paclitaxeldeath or scaffold thrombosis
Biosolve-II123 patientsA preservation of the scaffold area with a12 months[8,29]
DREAMS 2G,low mean neointmal area. Target lesion
PLLA+failure was 4%. No definite or probable
sirolimusscaffold thrombosis was observed. QCA
parameters remained stable from 6 months
to 12 months. Target lesion failure was
3.4% at 12 months

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最新研究[29]表明,在Biosolve-II DREAMS 2G临床实验中,支架内晚期管腔丢失为0.44 mm,超声显示新生内膜面积较小,光学相干断层扫描(OCT) 显示无错位支架丝。6个月时靶病变失效率为3%。药物诱导血管运动实验发现血管未被限制,但是内皮功能异常。与DREAMS支架相比,DREAMS 2G支架的内膜增生面积从0.3 mm2减少到0.08 mm2,支架内晚期管腔丢失降低0.21 mm。12个月的实验结果显示,定量冠脉造影参数与6个月时相比基本稳定,6和12个月时的支架内晚期管腔丢失分别为0.37 和0.39 mm。靶病变失效率为3.4%,无支架内血栓发生,临床实验验证了DREAMS 2G镁合金支架持续的安全性和稳定性[8]

1.3 降解机制

镁合金支架在体内的降解过程如图2[23]所示。植入体内28 d时,镁合金支架外层被富含O的腐蚀层包裹,该物质主要为Mg(OH)2,反应方程式如下:

Mg+2H2OMg(OH2+H2(1)

到90 d时,可以观察到支架梁大部分已经转化为腐蚀产物。富含O的腐蚀产物区域部分被富含Ca的腐蚀产物取代,该物质为非晶态的钙磷复合物,主要反应方程式为:

Mg(OH2+HPO42-+Ca2++H2OCax(PO4)ynH2O+H3O++Mg2+(2)

到180 d时,支架已经完全转化为钙磷复合物。此时,镁合金基体的腐蚀已经完成,被非晶的钙磷复合物所替代。支架在OCT下已经观察不到,但是通过超声仍能发现支架梁外形的残留物。镁合金支架降解产物的完全代谢吸收目前尚未见报道,钙磷复合物是否会引起钙化也尚不可知。

图2   可降解镁合金AMS-3.0体内降解机制[23]

Fig.2   SEM images (upper panels) and EDX mapping of AMS-3.0 degradation products (lower panels, unrelated to upper panels) (At 28 d, non-degraded magnesium-alloy particles had been surrounded by magnesium, calcium, and oxygen, probably in the form of MgCO3 or Mg(OH)2 or both, which could not be differentiated without further analysis. At 90 d, magnesium-alloy area was reduced, while oxidated (yellow) areas had become partly replaced at their outer margins by a calcium-phosphorous-oxygen compound (bluish area). Raman and infrared spectroscopy combined with X-ray diffraction analysis clarified that this was calcium phosphate with amorphous structure. At 180 d, no remaining metallic particles were noted)[23]

1.4 面临的挑战

目前,临床实验已经证明了可降解镁合金支架的可行性和体内安全性,但是可降解镁合金支架依然还面临着以下挑战[8]:(1) 临床实验是非随机性的,且包含的患者人数较少,病变情况相对简单;(2) 植入时间较短,长期的安全性和有效性还有待进一步验证;(3) 降解产物十分稳定,其代谢吸收途径和完全吸收周期还需要进一步研究。

2 可降解铁合金

2.1 Fe2+与心血管

Fe是构成人体必需的微量元素之一。在人体内共有5 g左右的Fe,其中约75%的Fe以络合物的形式存在于血液中的血红蛋白内,参与O2的转运。Fe也是众多酶促反应的辅助因子,直接影响DNA合成以及氧化还原酶活性,成人每天需要补充约1 mg的Fe[30]。血液中的Fe含量约为447 mg/L,由于铁支架缓慢的降解速率和支架本身较低的质量(约40 mg),Fe的系统毒性是相对较低的[31]。有报道[32]称,铁支架释放的Fe2+能够通过影响与生长相关的基因表达来降低平滑肌细胞增殖率,在30 μg/mL的葡萄糖酸铁溶液中培养12 h后,血管平滑肌细胞的增殖率只有对照组的64%,DNA合成只有对照组的20%;培养24 h后,增殖率只有对照组的65%,DNA合成只有对照组的30%;而与细胞内Fe2+代谢相关的蛋白,例如转铁蛋白,血浆铜蓝蛋白的mRNA含量都有所增加。该实验证实来自铁支架降解产物的Fe2+能够抑制血管平滑肌细胞的增殖。而对于人脐静脉内皮细胞,当Fe2+浓度小于10 μg/mL时,能够促进内皮细胞的增殖;而当Fe2+浓度大于50 μg/mL,内皮细胞的增殖明显降低,表明较高的Fe2+浓度对细胞产生了较大的毒性[33]。另外,由于Fe较高的弹性模量和径向支撑力,铁支架的支架丝可以做得非常薄(约53 μm)[34]

2.2 在体实验

作为另一种有潜力的支架材料,对可降解纯Fe的体内研究最早从2001年就开始了。但是到目前为止,可降解铁合金的在体实验相对较少,且主要处于动物实验阶段(表3[7,35-40]),暂未见临床实验报道。可降解铁合金用于支架的材料体系主要有纯Fe和注氮Fe,目前仅有一篇关于药物洗脱可降解铁合金支架的报道[34],其涂层体系由Zn内层和载有西罗莫司(sirolimus)的聚-DL-乳酸(PDLLA)外层构成。可降解铁合金的动物实验模型主要为兔腹主动脉和猪的冠状动脉、髂动脉,体内实验周期从28 d到53个月不等,暂未见支架完全降解时间的报道。

表3   可降解铁合金支架体内实验[7,35-40]

Table 3   In vivo tests of biodegradable Fe based stents[7,35-40]

Stent systemAnimal modelBiocompatibilityExp. periodRef.
IronRabbits,No thromboembolic complications, no6~18 months[35]
descendingadverse events. No significant neointimal
aortaproliferation, no pronounced inflammatory
response and no systemic toxicity
IronPigs,No signs of iron overload or iron-related organ360 d[36]
descending aortatoxicity, no local or systemic toxicity
IronPigs, coronaryAt 28 d, no stent particle embolization or thrombosis28 d[37]
arteryand no excess inflammation, or fibrin deposition
IronRats, arterySubstantial corrosion at 22 d, a voluminous9 months[38]
lumen or wallcorrosion product retained within the vessel
wall at 9 months. Implant in artery lumen
experienced minimal corrosion
Nitrided ironMinipigs, iliacEndothelialization after 1 month. Slightly lumen loss12 months[39]
arteryat 12 months. No thrombosis or local tissue necrosis
Nitrided iron Zn+Rabbits,Complete endothelialization after 3 months,13 months[40]
PDLLA+abdominalslight inflammation during implantation,
sirolimusaortano necrosis and systemic toxicity
Iron, nitrided ironRabbits,Endothelialization after 7 d. Slight53 months[7]
abdominalinflammation during implantation. No
aorta,pigs,necrosis and systemic toxicity. Corrosion
coronary arteryproducts can be cleaned by macrophages

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目前在可降解铁合金支架体系中,研究较为深入的是深圳先健公司研发的注氮铁支架。通过在铁支架表面制备一层厚约600 nm的镀锌层,支架在体内可以保持3个月不降解并提供约125 kPa的径向支撑力,随后在3~13个月快速完成降解。整个降解过程可以通过微计算机断层扫描(Micro-CT)、OCT、核磁共振成像(MRI)进行观察。支架植入3个月后完成内皮化,植入期间只有轻度炎症,未发生组织坏死和系统毒性。在随后的长期体内观察中[7],注氮铁支架在36个月时质量损失约76%,在兔和猪体内均表现出优异的生物相容性,腐蚀产物在体内很稳定,其吸收途径是被巨噬细胞吞噬,然后被转移到血管外膜,再通过淋巴系统代谢,动物实验证实了铁支架的体内安全性。

2.3 降解机制

Fe在体液环境中首先被氧化为金属离子,反应式如下[41]

FeFe2++2e-(3)

2H2O+O2+4e-4OH-(4)

游离的Fe2+与OH-反应生成难溶的氢氧化物:

2Fe2++4OH-2Fe(OH2or2FeO2H2O(5)

4Fe(OH2+O2+2H2O4Fe(OH3or2Fe2O36H2O(6)

体内实验结果显示(图3[34]),铁支架在体内的降解产物主要由内层的Fe3O4和中层的Fe(OH)3或其脱水产物FeOOH和Fe2O3以及外层的Ca3(PO4)2组成[7]

图3   可降解注氮铁支架体内降解机制[34]

Fig.3   SEM, EDS (a) and micro-CT (b) images of iron based scaffold (IBS) after 6 months implantation in rabbit abdominal aorta[34]

2.4 面临的挑战

早期Fe支架面临的最主要的一个问题是降解过慢,且短期实验显示降解产物在体内稳定,很难被组织代谢吸收。通过不断的成分设计和改良,最新的注氮铁支架已经能够在13个月内完成Fe基体的降解[34],与DREAMS 2G镁合金支架12个月的降解周期相近。目前,可降解铁合金支架面临的问题主要有:(1) 支架铁磁性对核磁共振成像的干扰,还有支架临近组织受到射频引发的局部加热影响,以及磁场对支架产生的力的影响[34];(2) 局部铁支架丝可以在12月就完全转化为降解产物,同时也可以在53个月依然保持完整,降解的不均匀性将直接影响完全吸收周期[7];(3) 腐蚀产物需要漫长的时间才能被代谢吸收,即使观察到巨噬细胞对其产物的吞噬作用,53个月时,依然有大量产物留存在血管壁中[7];(4) 研究结果主要还停留在动物实验阶段,暂未见临床安全性和有效性的实验数据,还需要通过一系列的临床实验来进一步验证可降解铁支架的可行性。

3 可降解锌合金

3.1 Zn2+与心血管

Zn是人体中仅次于Fe的第二丰富的金属元素,对维持正常人体生理功能有重要作用。人体含Zn总量约占体重0.003%,其中90%存在于肌肉和骨骼,10%存在于血液中。根据年龄段不同,每日建议Zn摄取量在2~13 mg不等。Zn通过小肠被人体吸收,主要储存在肝脏和肾中,在细胞内主要与金属蛋白结合。Zn还是多种酶的激活因子,并通过促进吞噬功能和产生免疫球蛋白来提高免疫能力。Zn是人体内300多种酶的组成成分,参与人体免疫功能维持、生长发育、基因调节、促进胰岛素分泌、增强记忆力[42]。Zn可以保护心肌细胞免受急性氧化应激损伤,在心肌损伤时预防炎症反应,促进伤口愈合,并在心肌恢复的过程中促进心肌干细胞的存活。动脉粥样硬化一般伴随着内皮细胞损伤。有研究[43]表明,Zn可以保护内皮细胞并保持其完整性,通过调控NF-kB转录因子与DNA的结合来调控细胞的凋亡和炎症反应;在内皮细胞内,Zn通过抑制NF-kB的活性,减少内皮细胞黏附蛋白的表达,因此降低动脉粥样硬化的风险。体外细胞实验[44,45]显示,Zn2+在低浓度时能够促进内皮细胞和平滑肌细胞的增殖、黏附和迁移,而高浓度时则作用相反,对于内皮细胞和平滑肌细胞,这个浓度分别约为100和80 μmol/L。受Zn2+影响的相关基因与细胞黏附、损伤、生长、成血管、炎症和凝血有关。

3.2 在体实验

目前,对于可降解锌合金的研究还处于起步阶段,在体实验主要以丝材植入小鼠腹主动脉为模型,只有一篇文献报道了纯Zn支架的在体研究(表4[46-52])。合金体系主要有纯Zn、ZnAl和ZnLi,暂未见药物涂层的研究[46,48,50]。纯Zn在体内的实验周期为6~20个月不等。最新研究[51]表明,在纯Zn丝的长期植入实验中,Zn丝显示出持续的体内降解,腐蚀产物和纤维层持续增厚。植入10~20个月,慢性炎症逐渐减轻,平均降解速率约为(25±10) μm/a。腐蚀产物主要有ZnO、ZnCO3和Zn3(PO4)2,实验证明纯Zn能够在体内长期安全降解。

表4   可降解锌合金丝材体内实验[46-52]

Table 4   In vivo tests of biodegradable Zn wires[46-52]

ImplantAnimal modelBiocompatibilityExperimentalRef.
period
ZincRat, abdominalRetained about 70% of its original cross6 months[46]
wireaorta wallsectional area after 4 months, after which
degradation was observed to increase
rapidly. Corrosion products consisted
of ZnO, ZnCO3 and trace of Ca/P
ZincRat, abdominalA complete endothelial layer at 2.5 months6 months[47]
wireaorta walland stable appearance at 6.5 months.
Smooth muscle cells remained stable at
6.5 months, no pronounced chronic
inflammation
ZnAlRat, abdominalNo acute and chronic inflammatory were6 months[48]
wireaorta wallpresented, no necrosis. Cross-section was
reduction 40%~50% at 6 months
ZnAlRat, abdominalInflammatory cells were able to penetrate6 months[49]
wireaorta wallthe corrosion layer of ZnAl implant. A
delayed entrance of inflammatory cells
into corrosion layer of pure Zn was observed
ZnLiRat, abdominalDegradation rates were 0.008 and 0.045 mm/a12 months[50]
wireaorta wallat 2 and 12 months, respectively. No neointimal
hyperplasia. Inflammation and neointima
thickness was slightly higher for ZnLi than Zn
ZincRat, abdominalIntense fibrous encapsulation of the wire, steady20 months[51]
wireaorta wallcorrosion without local toxicity for up to 20
months. Chronic inflammation at 5~8 months
but subsided between 10~20 months
ZincRabbit,No severe inflammation, platelet aggregation,12 months[52]
stentabdominalthrombosis formation or obvious intimal
aortahyperplasia was observed

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3.3 降解机制

纯Zn在体液环境中首先发生降解并释放出Zn2+,反应式如下:

ZnZn2++2e-(7)

O2+2H2O+4e-4OH-(8)

随着局部pH值升高,当pH值超过8.3时,根据Zn-H2O体系pourbaix图(图4a[51]),生成ZnO,反应式如下:

Zn2++2OH-Zn(OH2ZnO+H2O(9)

随着ZnO的形成,体液中的HCO3-与Zn2+形成ZnCO3 (图4b[51]):

2Zn2++2HCO3-2ZnCO3+H2(10)

根据热力学稳定性,Zn3(PO4)2也可能是腐蚀产物的主要成分之一,目前暂未见相关报道。纯Zn植入物在血管环境中的腐蚀产物主要由ZnO、ZnCO3和少量的非晶钙磷复合物组成(图5[52])。在20个月的长期观察中,Zn丝保持持续的线性降解行为,剩余截面积在20个月后约为原Zn丝的40%,平均降解速率约为25 μm/a[51]

图4   生理环境下Zn-H2O和Zn-C-H2O体系Pourbaix图[51] (y轴为电极电位E)

Fig.4   Zn-H2O (a) and Zn-C-H2O (b) Pourbaix diagrams for physiological concentrations at 310 K (The dotted lines show physiological pH of 7.4. The physiological potential for tissue fluid is indicated by circles. E—potential)[51]

图5   纯Zn支架体内降解机制[52]

Fig.5   Schematic diagrams showing the evolution of degradation mechanism of zinc stent associated with the conversion of degradation microenvironments during healing process(a, b) formation of zinc phosphate under the dynamic flow condition in blood fluid(c, d) conversion of zinc phosphate to ZnO and calcium phosphate under the diffusion condition in neointimal. SEM images corresponding to the related schematic diagrams are consisted of representative surface morphologies and cross-sections. The timeline depicts the healing process including inflammation, granulation and remodeling phases and selected time points. The models explain the formation of corrosion products and their dependence on local pH, distance from stent surface and implantation time in blood fluid (e) and neointimal (f). The red lines represent the assumed pH variation on the sample surface[52]

3.4 面临的挑战

根据已报道的可降解锌合金的体内实验结果显示,Zn在血管环境中的降解行为比较接近可降解支架的降解要求。但是,目前国际上的报道还十分有限,对于可降解锌合金在血管环境中的认识还比较少。从已有的实验结果来看,目前可降解锌合金面临的主要挑战有:(1) 可降解锌合金在体研究仅限于丝材和小鼠模型,暂未见体内支架研究,对于可降解锌合金支架的认识十分有限;(2) 纯Zn力学性能无法满足支架需求,需要通过合金化来进一步提升;(3) Zn在体内的降解机制和产物代谢吸收需要进一步的研究;(4) 纯Zn的降解均匀性需要进一步提高。

4 展望

理想的可降解支架能够在血管修复和支架降解过程中达到完美匹配,既能在早期像不可降解支架一样提供足够的力学支撑,又能在完成血管修复任务之后,在不引起局部和系统毒性的前提下,以合适的速率降解吸收。通过不断的改进和优化,可降解镁合金和铁合金支架距离理想的支架要求已经越来越近,对可降解锌合金的研究在丰富可降解支架体系的同时,也带来了更多的可能性,未来可降解金属支架的发展可以集中在以下几个方面:

(1) 优化材料性能。通过改良合金体系和加工工艺,使可降解金属获得更优异的综合力学性能,包括更高的强度、更好的延展性、更均匀细小的组织,从而制备出具有更高的径向支撑力、更小的回弹、较小的支架覆盖率、且能更均匀降解的可降解金属支架。

(2) 设计适合可降解金属支架的新型药物涂层体系。药物涂层如聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、左旋聚乳酸(PLLA)、聚-DL-乳酸(PDLLA),药物除了传统的细胞增殖抑制剂还可以是与血管修复相关的细胞抗体如CD34抗体[53]和血管内皮生长因子(VEGF)[54]等,从而达到促进再内皮化、改善内皮功能、降低炎症反应和抑制新生内膜过度增生的效果。

(3) 开发智能可降解金属支架,对血管修复过程中的各种信号进行原位监测,再反馈到体外进行调节。Mg、Fe和Zn都是良好的导电金属,其金属氧化物可以用来制备传感器。此外,利用一些对光、声、电、磁响应的载药纳米粒子,还可以实现体外局部调节。可降解金属支架可以将植入血管环境中的生理参数通过无线通信的方式传输出来,例如血液流速、局部组织pH值、局部温度等,再根据血管修复情况在体外进行调节,帮助血管更好的修复。在血管完成修复之后,金属支架、传感器和纳米粒子都可以被人体代谢吸收,不产生毒副作用。

The authors have declared that no competing interests exist.


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