上世纪70年代,Grüntzig等^[1]首次执行了标志着现代介入心脏病学诞生的单纯球囊血管成形术。随着现代介入心脏病学的逐渐发展,临床上开始大规模使用血管支架进行治疗,1986年出现“第一代金属裸支架”^[2],2003年,“第二代药物洗脱支架”在美国开始被批准应用。目前金属血管支架主要由高强度、耐腐蚀性的惰性合金,如316L不锈钢、钴铬、镍钛合金等组成。血管支架的植入能为血管提供支撑,使已经堵塞的血管扩张,同时防止血管弹性回弹和负性重构,完成血管重塑和修复,重新形成运输血液的正常生理功能。然而,由于上述金属材料均是永久性植入材料,血管支架的长期异物性问题不可忽略,通常情况下,病变动脉一般在6~12个月就能完成生理功能重建^[3,4]。生理功能重建后长期存在于体内的裸支架可能会导致内皮细胞破坏、血小板凝血和激活,继而导致支架血栓,同时长期存在异物可能导致血管炎症和平滑肌细胞受损,继而导致血管再狭窄,再狭窄率高达40%^[5,6]。虽然第二代药物洗脱支架在植入初期,能够有效降低血管再狭窄率到10%以下,然而药物导致受损内皮再生,增加了支架血栓形成的可能性^[7]。并且,植入前两代支架时,由于支架在病人体内永久性存在,病人需要持续服用阿司匹林、氯吡格雷等药物,这对之后可能需要的冠脉搭桥有影响。

可降解支架作为“革命性”心脏支架(第三代支架),理论上克服了永久性支架的缺点。在6~12个月内,心血管重塑期间为动脉壁提供机械支撑,并随着组织再生而降解,最终在人体内完成血运生理功能重建后可以被人体全部代谢掉,避免产生永久性支架带来的长期炎症反应、血管再狭窄和血栓等问题。同时可降解金属支架产物的生物活性能够抑制平滑肌细胞的增殖,减少炎症发生。

上世纪80年代,聚合物开始用于生物可降解支架的尝试,常用的聚合物支架材料是聚乳酸(PLLA)。虽然基于PLLA的支架已经通过了动物测试并进行人体临床应用,但其机械强度不足和X射线造影能力弱等问题不容忽视。而且,虽然聚合物的生物降解主要通过水解反应进行,降解产物简单且可预测,但连续追踪植入可降解支架患者,发现出现了不良组织重塑现象,且以前由PLLA占据的地区填满了蛋白多糖、细胞外基质,但是无细胞^[8]。可降解金属在21世纪才真正被提出用于心血管支架,最先被测试的金属是纯Mg,随后纯Fe及其合金也被广泛测试。近10年的研究表明,铁基可降解支架腐蚀速率过慢,且产物有害,造成组织分离^[9];镁基可降解支架虽然已经进入到临床实验的阶段,但其降解速率过快,产生快速内皮化现象,未能完全地完成心血管重塑功能就已经被降解^[10]。目前几种可用于生物可降解支架的金属材料主要性能如表1^[11]所示。

1 Zn的生理学需求

Zn是构成人体必需的微量元素之一。它几乎参与机体内所有的生理代谢过程,同时也是人机体中200多种酶的组成元素,Zn对于人体的生长发育和免疫系统、神经系统、代谢系统都有着重要的作用^[12-14]。

Zn对基因表达的调节有影响,因为它是调节DNA复制、转译和转录的DNA聚合酶的必需组成部分。Zn对生长激素合成以及维持海马体功能有重要作用,同时参与核酸蛋白质的代谢过程,能促进皮肤、骨骼和性器官的正常发育,对人的生长发育起重要作用。

Zn能直接参与核酸和蛋白质的合成、能量代谢以及氧化还原过程,保持代谢功能正常,保持免疫系统正常运作。Zn元素是免疫器官胸腺发育的营养素,只有Zn量充足才能有效保证胸腺发育良好,正常分化T淋巴细胞,促进细胞免疫功能,同时Zn对免疫系统其它多种细胞的增殖和功能也具有重要调节作用。

Zn作为血管紧张素转换酶的活性中心,能够激活血管紧张素参与血压的调节,低浓度的Zn对于神经系统功能有一定的促进作用。

Zn作为一种必须元素参与糖代谢、脂类代谢、蛋白质代谢,Zn在机体内平衡,才能保证机体正常生长。正常成人体内Zn含量约2~3 g,存在于所有组织中,3%~5%在白细胞中,其余在血浆中。正常成人Zn摄入量为10 mg/d,婴儿2 mg/d^[15]。除了必须的生理功能外,1996年Hennig等^[16]提出Zn展现出强烈的抗动脉粥样硬化功能。作者认为这种行为是由于Zn作为抗氧化剂和内皮膜细胞稳定剂的原因。由于这二者的相互作用,内皮的完整性被提高并且保护组成细胞免受油脂和紊乱细胞因子的伤害。

2 可降解Zn和锌合金支架材料的设计

可降解金属支架的力学性能要求为屈服强度大于200 MPa,拉伸强度大于300 MPa,断裂延伸率大于15%~18%^[17]。纯Zn虽然展现出优异的断裂延伸率(60%~80%),但纯Zn仅有120 MPa的拉伸强度^[18]。纯Zn本身的力学强度达不到可降解金属支架的要求,因此纯Zn很难作为可降解支架的材料。通过合金化来提高强度并且保持延展性和耐腐蚀性能是提升材料力学性能和耐腐蚀性能的主要手段,已知的工业锌合金具有高于300 MPa的拉伸强度和大于20%的断裂延伸率^[18]。然而,工业锌合金中作为合金化的Al元素对神经细胞和成骨细胞有毒,所以导致这类锌合金不能实际应用于支架制备^[19]。而且,Zn的合金化毫无疑问会改变腐蚀特征,腐蚀方式会影响材料的降解行为和炎症反应^[20],所以合金化的第二个目标是保持或增加腐蚀的一致性且并不明显改变Zn本身的特征。目前已有研究者对Zn进行合金化并且探究其植入体的降解效果,其加工方式和力学性能如表2^[21-28]所示。Li元素对Zn的合金化使其强度明显提高^[21],但高Li含量会导致延伸率大大降低,不适用于支架材料的制备。使用Zn-2Li和Zn-4Li在模拟体液 (simulated body fluid,SBF)中进行电化学实验发现,Li含量升高,会形成腐蚀保护层,导致耐蚀性加强,腐蚀速率0.05~0.06 mm/a,满足理论可降解支架的要求。同时该课题组在纯Zn中加入0.1% (质量分数)的Li进行挤压态合金制备,并将其植入小鼠腹主动脉^[22],腐蚀产物经检测主要是Ca₃(PO₄)₂、ZnO、ZnCO₃和Zn₅(OH)₈Cl₂H₂O。Zn-Li合金的腐蚀方式近似为均匀腐蚀,6.5个月内,降解率约为0.02 mm/a,12个月时增加至0.05 mm/a。植入后期的腐蚀加速保证了支架在完成生理重建后的及时降解。Zn-Li合金的生物相容性结果显示,11个月内只产生无阻塞性新内膜的中度炎症。Zn-Li合金的腐蚀行为和Zn具有相似性,具体应用仍需进一步研究。

Niu等^[23]使用Cu元素对Zn进行合金化,合金化后其延伸率和屈服强度达到理论支架的使用要求,但抗拉强度仍存在不足。该合金在Hank's溶液进行体外模拟浸泡实验显示,腐蚀速率为(9.41±1.34) μm/a,符合可降解材料腐蚀速率的理论要求。经过人体内皮细胞毒性测试合格,并可有效抑制细菌黏附和生物膜形成。在添加Cu元素的基础上添加Mg元素来提高抗拉强度^[24],发现随着Mg含量的增加,抗拉强度明显提高,但由于Mg₂Zn₁₁第二相的增多,延伸率下降。

Sikora-Jasinska等^[25]和Li等^[26]分别使用Ca、Mg、Sr 3种元素对Zn进行合金化,分别进行了二元合金体系和三元合金体系的合金化实验。其所进行的合金化实验是将锌合金作为潜在的可降解骨固定材料,合金化后的力学性能均有上升,且体外实验证明合金化后增加MG63的活力,并可以促进MG63细胞增殖,溶血率<0.2%。体外溶血率实验和细胞活力实验表明,添加IIA合金元素Mg、Ca和Sr可以有益于材料的血液相容性和细胞相容性。同时鼠体内实验也显示无炎症发生,并可以促进新骨形成。

3 可降解锌合金的体外实验研究进展

生物材料通常会在体外进行模拟实验,保证化学和热学条件以及离子环境与体内相同,对材料的可行性进行初步判断。Chen等^[29]对于铸态纯Zn、纯Mg和纯Fe在磷酸盐缓冲液(phosphate buffered saline, PBS)中的电化学行为做了一个全面的对比,发现纯Zn的电极电位和腐蚀速率介于纯Mg和纯Fe之间。在短期浸泡时(3 d),Zn的腐蚀相对均匀,腐蚀产物均匀分布在表面。随着浸泡时间的增长,Zn展现出局部腐蚀剧烈的现象,并且产物逐渐松散。

对于电化学的研究,Törne等^[30]对比了纯Zn在盐溶液、模拟血浆、全血中的电化学行为,发现在3 d内,纯Zn在全血和模拟血浆中腐蚀更剧烈,且呈现均匀腐蚀。3 d内,纯Zn的腐蚀速率为：在模拟血浆中0.1 mm/a、在全血中0.05 mm/a,这2个数据与小鼠体内植入腐蚀速率(0.02~0.05 mm/a)接近。而3 d内,纯Zn在盐溶液中腐蚀更剧烈。根据腐蚀形态得出结论,短时间的体外腐蚀模拟应使用全血和模拟血浆,长时间模拟应使用盐溶液。由于目前对包括Mg、Fe等可降解金属进行体外降解评估的模拟体液包括SBF、Hank's溶液、PBS、模拟血浆等多种电解质,对于采用何种电解质溶液适合Zn及其合金在不同降解阶段的评估,会成为今后本领域的研究热点。

2015年,Liu等^[31]利用超纯Zn制备微管,并研究其在Hank's溶液中的腐蚀情况。测试将Zn微管置于Hank's溶液中,并通过扫描电镜(SEM)观察表面形貌和用能谱(EDS)分析产物成分等。结果表明,Zn不会造成pH值的大幅改变,腐蚀速率为0.027~0.036 mm/a,腐蚀速率满足可降解支架材料的理论要求;经EDS检测,Zn的表面腐蚀产物含C、O、P、Ca。细胞毒性检测显示,超纯Zn对细胞的毒性在可承受范围内;对红细胞无破坏作用,溶血率为1%(<5%),血液相容性1.19%。

植入材料在体外和细胞共培养也是评价植入体的细胞毒性和生物相容性的方式。对此,Shearier等^[32]研究纯Zn与人成纤维细胞(human dermal fibroblasts,hDF)、主动脉平滑肌细胞(human aortic smooth muscle cells,AoSMC)、主动脉内皮细胞(human aortic endothelial cells,HAEC )共培养时3种细胞的毒性、黏附性和增殖性。细胞毒性显示,对于hDF、AoSMC和HAEC的半数致死量(LD50)值分别为3.5、4.5和17.5 mg/L。细胞直接接触金属Zn时,细胞最初附着,但紧接着死亡。使用一层明胶来对Zn表面进行改性来模仿体内的蛋白质层后,细胞能够在Zn表面附着和增殖,同时扩散和迁移会受到锌离子浓度升高的影响,特别是在hDF和AoSMC中。血液中的蛋白质有机物会同时影响Zn与细胞的相互作用和Zn的腐蚀。Törne等^[33]对比了纯Zn在m-SBF和全血中的应力腐蚀,发现,在全血中,表面形成的有机保护层屏蔽了部分应力。

Zn早已证实具有抗菌作用,属于无机抗菌材料,相对于抗生素类药物,Zn具有不易产生耐药性、抗菌性稳定持久等优点^[34]。张波等^[35]对Zn进行细菌共培养和抑菌环实验,结果显示,可降解锌合金在体外具有良好的抗菌性。同时也进行了细胞毒性实验,展示细胞毒性为0~1级,细胞毒性安全性合格,细胞能在其表面黏附生长。

4 锌合金的体内实验研究

研究者真正对于Zn作为生物可吸收支架的关注要从2013年发表的大鼠血管壁的植入实验开始。Bowen等^[36]将直径0.25 mm的纯Zn (99.99%+)线植入小鼠腹主动脉,经过1.5、3、4.5、6个月体内实验后取出。计算出Zn在大鼠体内的降解速率为10~20 μm/a,值得关注的是该腐蚀速率与理想的生物可吸收支架材料20 μm/a基准值几乎相同。而且纯Zn能在4个月及以上的时间仍大体保持完整,之后随时间继续增加腐蚀加速,腐蚀加速现象可以确保植入体及时降解。同时实验结果表明,纯Zn在生物体内的腐蚀产物是：大量Zn的氧化物点缀在Zn的碳酸盐上,同时有少量的钙磷产物在最外层,降解产物对小鼠不存在毒性。该实验只对小鼠体内6个月的实验进行分析,实际上可降解支架在体内停留时间长于6个月,最终降解产物可能会发生改变。Zberg等^[37]通过电位-pH图计算出金属Zn在生理环境中降解的最终产物是Zn₃(PO₄)₂,但仅通过热力学计算得到相应结果,XRD并没有检测到该物质。对于Zn的腐蚀仍需要长时间实验来研究其降解行为和产物。但值得关注的是,Bowen等^[36]的鼠体内植入实验首次展现了纯Zn作为可降解支架的概念的应用可能性。此外,Bowen等^[38]在2015年将纯Zn线植入小鼠腹主动脉,采用长时间植入来评价生物相容性。在植入时间长达6个月内,大鼠体内无显著的慢性炎症反应、局部坏死和内膜增生。在已降解的植入物Zn的原始覆盖区内有组织再生,良好的新生内膜组织以及在腐蚀层内和周围的细胞活力证明了Zn的良好生物相容性。同时,邻近植入物界面的位置明显缺乏平滑肌细胞,低的细胞密度表明Zn具有抗平滑肌细胞的增殖作用,可以有效避免支架植入后的再狭窄。上文所述Bowen等^[36,38]对于纯Zn的体内实验采用的是一种简化模型,通过金属线植入来模拟血管外侧的腐蚀行为。这种方式使金属和动脉环境之间的界面简化,并且比单独的体外方法模拟更为实际,可以获得植入支架后相关的并发症和体内行为等。但真正生物可吸收支架材料在应用时面临的环境是血管外侧和血管内侧流动血液的共同作用,Bowen等^[36,38]的研究忽略了支架内侧与血液接触部分的降解行为,只是简单的对材料进行可行性的验证。所以对于锌合金实际应用前仍需要大型动物或临床体内等深入和全面研究。

5 结语

到目前为止的研究表明,Zn是一种有望应用于可降解支架的材料,然而纯Zn的力学性能还达不到设计要求。通过合金化来提高强度并且仍保持延展性和耐腐蚀性能是制备可降解Zn支架材料的方式。目前研究者面临的主要难题就是提高锌合金的力学性能同时达到降解可控性。未来可能的手段包括：(1) 合金的设计：以Zn为基体添加合金元素,通过控制元素的种类和元素的添加量来提升Zn的力学性能,改变其在生物体内的降解速率,控制可降解植入体在体内的降解时间。合金元素的选取可以借鉴于制备可降解支架和骨植入材料的尝试,加入人体必需的微量元素Mn、Cu、Mg等。同时改变材料制备加工方式,通过如轧制、热挤压、均匀化等方式来改变材料本身的力学性能。(2) 支架的表面设计：通过进行表面改性,如设计改变氧化层的厚度和形态,表面富有载药涂层,设计并改变药物种类、涂层厚度、涂层控制释放速率等。(3) 支架加工设计：几何结构等因数对支架膨胀、回弹、柔顺性以及短缩等行为有很大影响,筋宽、筋长等均影响几何内压力,开环结构和闭环结构等也影响材料的柔顺性。今后的研究可能需要基于锌合金的材料特性进行不同类型的加工设计并得出最优化的设计方案。

综上所述,金属锌合金为可降解金属心血管支架提供了新的可能,但仍需对锌合金的降解行为进行全面了解,进行大规模、深入性的研究。Zn作为一种变革性金属,将可能在支架介入领域展开启新的篇章。

The authors have declared that no competing interests exist.