新型单面刻槽药物洗脱支架的制备与研究

尧婉辰，孙怀远，张劼,金文涛1，

1.上海理工大学 医疗器械与食品学院(上海,200093) 2.上海健康医学院 医疗器械学院(上海,201318) 3.上海微创医疗器械有限公司(上海,201203)

0 引 言

脑卒中是造成我国居民死亡的首要原因，研究表明支架植入是解决颅内动脉狭窄，降低脑卒中的有效手段。动脉粥样硬化性颅内动脉狭窄是引发缺血性脑卒中的一个重要原因[1]，颅内动脉闭塞引起的急性缺血性脑卒中常伴有严重的残疾或死亡，Jovin[2]等对25位患者进行了经颈动脉支架置换术，23位患者取得成功，因此越来越多的人采用支架植入术来预防卒中复发，支架植入也被证明具有很高的安全性和可靠性[3]，相比于药物治疗能够更有效地改善动脉狭窄[4]。

传统的支架制备工艺有浸涂、电镀和喷涂法等，本研究采用压电微喷射技术对支架进行药物喷涂，其优点可以实现定点定位精准喷涂，降低成本节省用药量[5]。聚乳酸(Polylactic Acid，PLA)因其良好的生物相容性和可降解性的特点[6]，广泛应用于药物支架的缓释涂层。雷帕霉素(Rapamycin，RM)作为一种新型免疫抑制剂，具有免疫抑制和抗菌增值的双重作用，不仅可以与特定的细胞质蛋白结合，防止细胞增值，还能抑制支架内再狭窄的发生[7-8]。

根据支架结构和材质可将血管内支架分为金属支架、聚合物支架和药物涂层支架[9]，本文研究的是药物涂层支架，对单面刻槽的镍钛合金支架进行以PLA为载药物的雷帕霉素药物喷涂。该支架的主要特点是仅在支架的血管壁一侧有涂层，将药物填充于凹槽内，使药物释放直接进入血管壁，减少了药物剂量，提高了药物利用率，降低了再狭窄，靶向作用于血管壁。实验表明，单面刻槽药物洗脱支架具有广阔的应用前景。

1 实验

1.1 实验材料

本文所用的主要试剂和仪器如下：聚乳酸，美国DURECT公司；雷帕霉素，海正药业(杭州)有限公司；丙酮及其他试剂均为分析纯；镍钛合金凹槽支架，自制，国药集团化学试剂有限公司；球囊，自制；MLA650F扫描电子显微镜，美国FEI扫描电子显微镜有限公司；台式恒温振荡器，上海精宏实验设备有限公司。

1.2 实验方法

实验中主要采用压电微喷技术对单面刻槽镍钛合金支架进行喷涂。微喷射技术根据喷墨方式可以分为压电式、气压式、热泡式、机械式等。本文采用收缩管型压电式喷头。压电式微喷式打印系统的工作原理为：首先对压电陶瓷元件的电极两端施加电压，在脉冲电压上升和保持的过程中挤压玻璃管，使得压电元件产生微弱的形变，振动板向压力腔内侧弯曲，通过压力腔中压力的变化将喷嘴处的溶液挤压出去。在电压下降时，压电元件膨胀，玻璃管的体积逐渐增大，下降过程中受表面张力、空气阻力和惯性力的影响，逐渐汇聚成球滴，落在基板上[10]，形成一个完整的液滴，完成一个周期。因此压电式喷射技术在液滴分配，频率控制和体积控制及速度控制方面具有良好的性能，可以进行微量、精准、可控的液滴分配，满足实验要求。

喷射液滴的压电喷头，主要由毛细玻璃管、管腔、压电陶瓷和喷嘴构成。当电压作用于压电驱动器时，逆压电效应使其产生形变，从而在喷嘴处形成微量液滴。在微喷系统中，喷头是最核心的内容，本实验采用的是美国MicroFab，MJ-AT-01型号的喷头，喷头直径为30 μm，见图1。

图1 压电喷头结构Fig.1 Structure of piezoelectric nozzle

为了更好地满足喷射打印需求，液滴由喷嘴挤出后最好能够形成单分散液滴形态，即每个信号正弦波型喷出的液体只生成一个稳定液滴。喷头内的液体在一个周期内形成单个稳定液滴的过程，见图2。这些液滴都是圆柱形的，但在表面张力和空气阻力的影响下，容易分离成一个主液滴和几个较小的卫星液滴，卫星液滴容易在基体表面形成不规律的杂点，严重影响涂层质量，因此避免卫星液滴的产生是极其重要的。

图2 稳定液滴形成过程Fig.2 The formation process of stable droplets

1.3 单面刻槽药物洗脱支架的制备

将激光切割加工后的支架进行热处理、酸洗、抛光等处理后[11]，制得单面刻槽的镍钛合金支架。为了方便实验，切割加工了多个支架以备用，实验中用到的芯棒为磨砂玻璃芯棒，不会出现反光等现象，可以用来清楚观察支架表面喷涂情况和支架凹槽情况。带凹槽支架喷涂难度较大，其槽狭小又长，只有微米级别，因此凹槽的识别和捕捉是进行药物喷涂至关重要的一步，此过程需要设计一个机器视觉系统。通过图像摄取设备获取单面刻槽支架的图像，如图3(a)所示，要求支架表面为亮区域，凹槽内及芯棒表面为暗区域，再利用数模转换的方式，将图像的模拟信号转换成数字信号传送给图像处理系统，图像处理系统根据数字图像中的像素分布、亮度及形状等信息，进行运算来识别目标物，如图3(b)所示，为方便观察将识别出的凹槽用颜色标记出来。识别过程中可能会出现凹槽丢失的情况，需要进一步优化源代码。

为了使溶液尽可能喷涂在凹槽内，不会成堆出现在降落点，洒在支架“肩膀”两侧或者溢出至槽侧及底面等情况，实验过程中采用单点多圈的喷涂方式，不仅可以增加喷射的稳定性，还能保证溶液在槽内的完全铺展。

图3 凹槽扫描和捕捉过程Fig.3 The process of scan and catch on the groove

精准识别镍钛合金支架表面凹槽后，对支架进行喷涂实验，首先对系统参数进行调整，在视觉观测系统的辅助下调整出稳定液滴，其中微喷设备的工艺参数如电压大小、电压保持时间、曝光时间和频率[12]等对药物涂层喷涂的性能表征有着至关重要的影响，实验过程中通过多次探究摸索调试出的最佳工艺参数如图4所示，此参数下不会出现卫星液滴以及洒在支架两侧的情况。

图4 最佳工艺参数Fig.4 The most suitable technological parameters

1.4 球囊扩张实验

球囊导管是支架植入术最常用的方法，导管由一根大约一米长的空心管组成，末端是一个可充气的橡胶球囊，支架被放置在球囊上面并对球囊进行压缩。当到达目标位置时，将球囊充气至最大压力10 atm(1 atm=101325 Pa)，维持充气30 s，如图5(a)所示，球囊通过中空导管加压膨胀，从而导致支架膨胀，然后橡胶球囊放气，如图5(b)所示，取出球囊导管，观察支架变化。这种支架植入术要求支架具有灵活性，且扩张后不会断裂。为了验证所制备的药物涂层与单面刻槽支架之间的结合力能否满足药物支架涂层的性能要求，在标准大气压下对所制备的药物洗脱支架进行球囊扩张实验，在扫描电子显微镜(SEM)下观察支架表面是否出现涂层脱落、翘起等现象，药物洗脱支架涂层的表面形貌对支架的性能影响甚大，特别是在支架撑开的过程中药物涂层的力学性能以及涂层与药物支架基体之间的结合力是判断药物涂层能否作为洗脱涂层的重要指标。

图5 球囊扩张实验Fig.5 The experiment of balloon dilation

1.5 体外模拟释放实验

实验中将已制备好的药物涂层支架置入含有3 mL的PBS (pH=7.4)缓冲液的试管中，然后将试管置于37 ℃的恒温水浴振荡器中培养，震荡频率为72 r/min。一定时间后取出支架，在离心管内加入6 mL乙腈溶液，进行离心后取上清液经0.45 μm的滤膜过滤，然后进行紫外光谱测试，记录数据并整理。每次试验准备三组，药物释放量取平均值。

2 实验结果

2.1 带凹槽药物洗脱支架的涂层形貌

在本实验中，通过扫描电子显微镜证明涂层具有足够的灵活性，可以使支架球囊膨胀而不开裂，在球囊扩张过程中，支架周围聚合物的形状和理化性能对维持涂层支架的结构完整性至关重要[13]。由图可看出，在选取合适的工艺参数后药物能够完整平铺在凹槽，不会出现图6(a)洒在支架“肩膀”两侧或者溢出至槽侧及底面的情况，且涂层质量较好，平整光滑，如图6(b)(c)所示。

球囊扩张的变形过程主要有支架在球囊上的压握过程，支架在球囊上的充气扩张过程和球囊撤出后支架受血管壁的周期性压缩过程，因此药物洗脱支架扩张过程的力学性能对支架植入有着重要的影响，郭景振[14]对传统药物洗脱支架和单面刻槽药物洗脱支架的生物力学性能进行了有限元模拟，发现刻槽尺寸对扩张性能影响较小且灵活性更高。从图6(d)800倍电镜照片中可以看出球囊扩张之后的支架表面依旧完好无损，没有出现涂层脱落及翘起等情况，可见该涂层在拉伸过程中具有良好的应力性能，能满足作为药物洗脱支架的力学性能要求，并且本研究所采用的喷涂工艺能实现在单面刻槽的药物洗脱支架表面制备良好的涂层。

图6 球囊扩张前后SEM涂层形貌Fig.6 The coating morphology of balloon dilatation before and after

2.2 药物释放曲线

药物释放率的计算公式如下[15]：

%Release=(Wt/Wtotal)×100

(1)

其中Wt为在时间t内释放的药物浓度，从紫外光谱中读取释放介质的吸光度，根据校准曲线计算的药物浓度；Wtotal为药物洗脱支架的药物浓度。

Noyes-Whitney方程[16]提出来了药物释放的动力学基本原理为：

(2)

图7 DES体外药物释放曲线Fig.7 In vitro drug release of DES

3 结论

本文研究的支架为新型单面刻槽的镍钛合金支架，运用颅内脑血管疾病，本文主要对凹槽的识别、扫描，凹槽内药物的喷涂以及支架的结合力等方面做了初步的探究。实验表明药物能够在凹槽均匀分布，球囊扩张过程中，支架没有出现脱落、分层等现象，通过体外释放实验证实了药物的有效性。与传统的药物涂层支架相比，单面刻槽支架具有更少的药物量和聚合物量，即药物涂层仅仅存储于支架外表面的凹槽内，药物释放曲线表明能够在较长时间内保持有效治疗浓度效果，微喷射技术符合实验过程中的喷涂工艺要求。今后的实验旨在提高凹槽的涂层质量。