可降解锌合金冠状动脉支架研发进展

周 超，王鲁宁，石章智，尹玉霞，张海军

1.北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 2.生物医用材料改性技术国家地方联合工程实验室，德州 251100 3.同济大学医学院介入血管研究所，上海 200072

冠状动脉粥样硬化性心脏病简称冠心病，是冠状动脉疾病(CAD)的主要类型，死亡率居高不下，在世界范围内造成了沉重的社会、经济负担[1]。2016年我国冠心病患病人数已达1 100万，且仍呈增长趋势[2]。

冠心病的治疗历史可以概括为药物保守治疗、冠状动脉旁路移植术(CABG)和PCI手术(球囊扩张、支架植入)3个阶段。1977年，德国医师Barton等[3]发明了经皮冠状动脉腔内成型术(PTCA)，开创了PCI治疗的先河。在之后的40年中，金属裸支架(BMS)、药物洗脱支架(DES)和药物洗脱球囊(DEB)相继出现，使急性闭塞、再狭窄以及远期安全性事件的发生率逐渐降低[4]。PCI对三支病变、左主干病变、分叉血管病变的疗效果也逐渐改善[5-8]。目前，支架植入已成为主要的冠心病治疗手段[9]。

1 可降解冠状动脉支架的发展

传统支架植入后永久留置人体可导致远期血栓、慢性炎症等并发症[10-11]，一直是治疗难点。Moore等[12]的荟萃分析表明，DES治疗组患者在术后3～5年主要心脏不良事件(MACE)的发生率显著高于CABG组(23.3%vs18.2%；OR=1.37，95% CI 1.18～1.58，P≤0.0001)，结果与DES组更多的支架内再狭窄和再次PCI有关。可降解支架是解决这一问题的理想手段：在支架植入早期，可降解支架与DES和BMS一样对靶血管起到支撑作用；完成靶血管内皮覆盖后，支架材料逐渐被人体降解、吸收，而不发生不良反应。

可降解支架包括可降解高分子聚合物支架和可降解金属支架。前者以雅培公司的聚乳酸(BVS)材料为代表，其优势在于良好的生物相容性(乳酸是人体正常代谢的产物之一)，劣势则在于高分子材料支撑力不足和支架壁较厚(BVS壁厚达150 μm，而传统金属支架仅为80 μm)[13]。BVS相关注册临床试验[14]表明，使用BVS支架是发生管腔重建的独立危险因素。荟萃分析[15]表明，这种风险可能与BVS支架贴壁不良或植入小血管导致急性血栓有关，提示支架材料强度的重要性。

可降解金属支架与聚合物支架不同，其力学性能和壁厚均接近传统永久支架[13,16]，适应证范围也更大。早期的可降解金属支架材料多为镁和铁及其合金[16]，大量对这两种材料的改良性研究集中于降解速率的调控(降低镁的降解速率[17-20]、加快铁的降解速率[21-23])。与镁、铁一样，锌的降解产物(Zn2+)是人体必需的金属元素之一(正常成人Zn摄入量为10 mg/d、婴儿为2 mg/d[24])，其参与构成多种蛋白及300余种酶反应。Zn2+/Zn标准电极电势为-0.761 8 V，大于Mg2+/Mg(-2.372 V)而小于Fe2+/Fe(-0.447 V)和Fe3+/Fe(-0.037 V)，提示锌的化学反应活性介于铁和镁之间，可能更加符合冠状动脉支架对于材料降解时间的要求。

2 锌合金冠状动脉支架材料的研究现状

2.1 合金化元素 纯锌为密排六方结构，滑移系少，塑性、强度较差，且存在晶间腐蚀倾向，无法满足支架加工和使用要求。通过合金化对锌的力学性能进行改良是将锌应用于冠状动脉支架的必要条件。人们以往通过添加合金化元素铝、铜、镁等以细化晶粒，改善锌的力学性能、耐腐蚀性能和阻尼性能(合金ZA8、ZA12、ZA27)。

铜应用于医疗器械，具有抗菌、促进新生血管形成和促进成骨的作用[25-26]。铜的原子半径(127.8 pm)与锌的原子半径(133.2 pm)接近，低量铜可固溶于锌形成置换固溶体。铜-锌相图中存在多种金属间化合物，在富锌端锌基体中的第二相是ε相，含铜量为12%～22%。锌基体中的第二相能显著改善锌合金的力学性能[27]，并减少锌合金的晶间腐蚀[28]。此外，铜能够促进人血管内皮细胞增殖，而血管内皮细胞增殖及支架植入后的再内皮化是影响PCI远期预后的关键因素[29-30]。目前已有学者尝试将铜应用于血管支架材料(如含铜不锈钢)[31-33]。铜可能是锌合金冠状动脉支架材料中的一种潜在元素。

镁与锌同为密排六方结构，降解产物为人体必需。研究[34]表明，镁的加入可以降低锌的细胞毒性，但不利于锌合金塑性的提高。钙、锶、锰、锂、铁、钛等金属以及稀土元素在锌合金中的添加也有研究。钙、锶等元素与骨生成、钙化等过程相关[35]，但可能不是支架植入的理想选择。稀土元素的加入虽然同样能够起到生成第二相、强化晶界的作用，但是稀土与锌形成的金属间化合物不易被降解吸收。将铁加入锌合金中能够显著提高合金的硬度和强度[36]，但锌铁之间形成的金属间化合物也较为稳定，难以被降解吸收，且会给冠状动脉支架加工(如抛光)造成不利影响。其他的非人体必需元素或有毒元素，如钛和铝，虽然是传统的锌合金组成成分，但可能也不能应用于可降解冠状动脉支架材料。

2.2 力学性能 屈服强度作为材料力学性能的重要指标之一，直接影响冠状动脉支架终产品的支撑性能。此外，产品加工、使用过程中须经历较大的塑性变形，因此要求材料具有一定的断裂延伸率。研究[37]认为，材料屈服强度200 Mpa以上、断裂延伸率15%～18%才能达到要求。锌、镁、铁及锌合金的屈服强度和断裂延伸率[38-48]如图1。其中，商用稀土镁合金WE43为目前唯一获得上市许可(CE认证)的金属可降解支架，而不锈钢316Lss则代表目前市场主流永久支架材料。

需要指出的是，纯锌熔点较低，在室温变形后会再结晶，不发生加工硬化。有研究[43,49-50]表明，延伸率低于15%的铸态锌及其合金也可以完成加工成型，这可能是因为将锌合金材料制成毛细管的过程当中，材料经历了较大比例的塑性形变，晶粒细化使其塑性提升。

2.3 降解性能 体外和体内多项研究[23,47,49-51]结果证实，锌及其合金的降解速率介于镁合金与铁合金之间，可能更加符合冠状动脉支架对于材料降解时间的要求。因此，目前有关锌及其合金医疗应用的研究多涉及降解速率的表征，而很少涉及降解速率的调控。目前国际上腐蚀速率研究较为普遍的参考标准是美国材料与试验协会(ASTM) G31-72，试验温度一般控制为37℃以模拟人体环境，腐蚀液成分选用Hank’s溶液。近年报道的部分锌-铜系合金腐蚀速率见表1。

图1 锌合金冠状动脉支架材料的力学性能[34,36,38-46]

表1 锌合金腐蚀速率

2.4 生物相容性 锌作为人体必需元素之一，成人正常摄入量为10 mg/d。而一枚以锌为基体材料制成的常用规格(直径3.0 mm、长度20 mm，支架梁厚度0.1 mm)冠状动脉支架的质量约为25 mg。因此，锌合金支架在冠状动脉血管的使用一般不会给人体造成全身毒性。局部毒性(体外评价以细胞毒性为代表)是对材料生物相容性评价的关键指标。按照 ISO10993(我国转化标准为GB16886)系列标准要求，用于冠状动脉支架的锌合金材料必须进行细胞毒、致敏性、皮肤刺激、急性毒性、亚慢性毒性、慢性毒性、植入、遗传毒性及血液学相关试验。在生物相容性评价国际标准体系中，锌盐是细胞毒性试验的阳性对照物。锌盐细胞毒性可能为锌合金冠状动脉支架产业化应用需要解决的问题之一。Tang等[34]的研究发现，在锌铜合金中加入镁元素，能够降低细胞毒性。而锌的细胞毒性与镁[52]相似，其浸提液需要稀释6～10倍才能达到国际标准。

2.5 动物实验研究

2.5.1 纯锌植入动物血管 2013年，Bowen等[37]在《ADVANCED MATERIALS》杂志上发表了关于纯锌的动物实验研究，第1次提出锌作为一种可降解支架材料，其降解特性可能是较为理想的。该研究观察了纯锌丝插入大鼠腹主动脉6.5个月的降解规律，发现纯锌在大鼠体内前3个月降解缓慢，4.5个月后显著加快(图2)。该降解规律符合冠状动脉支架植入后内皮覆盖和对支架支撑力维持时间的要求，引起了关注。2015年，该研究团队通过组织切片进一步分析了纯锌丝在大鼠腹主动脉内的生物相容性[53]，未发现支架内再狭窄的诱因事件(炎症反应、局部坏死或内膜增生)。

图2 锌丝植入大鼠腹主动脉背散射图

2.5.2 纯锌以支架形态植入动物血管 2017年，Yang等[47]将纯锌制成血管支架，植入兔腹主动脉中，首次观察了纯锌以支架形态在动物血管内的反应，发现纯锌支架在兔腹主动脉中完整保持了6个月，植入12个月后降解(41.75 ± 29.72)%。该研究认为纯锌在兔腹主动脉中的降解机制如图3。

图3 纯锌支架在血管中的降解机制

A, B：锌暴露于流动血液，逐步形成氧化锌和磷酸锌(锌→氧化锌/氢氧化锌→氧化锌/磷酸锌)；C, D：在新生内膜覆盖的环境下，磷酸锌向氧化锌和磷酸钙转化.扫描电子显微镜(SEM)照片：左侧为支架表面，右侧为截面图

2.5.3 二元合金(锌-锂)的动物实验 Zhao等[46]将锌锂合金丝植入大鼠腹主动脉，发现锌锂合金植入2～3个月的降解速率接近理想的降解速率(20 μm/y)，认为9个月降解产物分布示意图如图4。

图4 锌锂合金在大鼠腹主动脉中9个月降解示意图

3 锌合金支架目前研究的不足

可降解血管支架的探索至今已超过10年[54]。随着澳大利亚、欧盟和FDA相继提示其使用风险后，上市仅1年的BVS(可降解聚合物支架)退出市场。锌合金冠状动脉支架的研发同样任重而道远，材料的支撑性能、耐疲劳性能、抗蠕变特性能否适应人体的复杂环境，以及降解产物的代谢是否损害靶血管及周围组织等，都需要进一步研究验证。

目前有关锌合金材料的研究多集中于理论研究，与产业化应用尚有差距。国内外研究多给锌及其合金的细胞毒性给出了较为乐观的评价。现有对可生物降解锌合金的研究中，仅少数关注了材料的可加工性能(塑性变形性能、可抛光性)，多数锌合金材料未经可加工和使用性能验证。除上述动物实验外，目前鲜见大动物模型原位植入(如猪心脏冠状动脉)，而大动物实验是锌合金支架产业化应用的重要步骤。

4 小结与展望

锌合金以其较理想的力学性能、生物相容性及降解速率，近年来成为可降解冠状动脉支架材料研究的热门之一。2013年以来，锌合金材料的研究增多，但目前还处于理论阶段，其产业化应用还需要大量基础和临床研究支持，同时锌合金材料性能的评价技术也需要进一步发展。我国目前在该领域的研究处于世界前列，有可能在产业化应用方面首先取得突破，从而引领下次PCI技术革新。