可降解鋅合金冠狀動脈支架研發進展

周 超，王魯寧，石章智，尹玉霞，張海軍

1.北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083 2.生物醫用材料改性技術國家地方聯合工程實驗室，德州 251100 3.同濟大學醫學院介入血管研究所，上海 200072

冠狀動脈粥樣硬化性心臟病簡稱冠心病，是冠狀動脈疾病(CAD)的主要類型，死亡率居高不下，在世界范圍內造成了沉重的社會、經濟負擔[1]。2016年我國冠心病患病人數已達1 100萬，且仍呈增長趨勢[2]。

冠心病的治療歷史可以概括為藥物保守治療、冠狀動脈旁路移植術(CABG)和PCI手術(球囊擴張、支架植入)3個階段。1977年，德國醫師Barton等[3]發明了經皮冠狀動脈腔內成型術(PTCA)，開創了PCI治療的先河。在之后的40年中，金屬裸支架(BMS)、藥物洗脫支架(DES)和藥物洗脫球囊(DEB)相繼出現，使急性閉塞、再狹窄以及遠期安全性事件的發生率逐漸降低[4]。PCI對三支病變、左主干病變、分叉血管病變的療效果也逐漸改善[5-8]。目前，支架植入已成為主要的冠心病治療手段[9]。

1 可降解冠狀動脈支架的發展

傳統支架植入后永久留置人體可導致遠期血栓、慢性炎癥等并發癥[10-11]，一直是治療難點。Moore等[12]的薈萃分析表明，DES治療組患者在術后3～5年主要心臟不良事件(MACE)的發生率顯著高于CABG組(23.3%vs18.2%；OR=1.37，95% CI 1.18～1.58，P≤0.0001)，結果與DES組更多的支架內再狹窄和再次PCI有關。可降解支架是解決這一問題的理想手段：在支架植入早期，可降解支架與DES和BMS一樣對靶血管起到支撐作用；完成靶血管內皮覆蓋后，支架材料逐漸被人體降解、吸收，而不發生不良反應。

可降解支架包括可降解高分子聚合物支架和可降解金屬支架。前者以雅培公司的聚乳酸(BVS)材料為代表，其優勢在于良好的生物相容性(乳酸是人體正常代謝的產物之一)，劣勢則在于高分子材料支撐力不足和支架壁較厚(BVS壁厚達150 μm，而傳統金屬支架僅為80 μm)[13]。BVS相關注冊臨床試驗[14]表明，使用BVS支架是發生管腔重建的獨立危險因素。薈萃分析[15]表明，這種風險可能與BVS支架貼壁不良或植入小血管導致急性血栓有關，提示支架材料強度的重要性。

可降解金屬支架與聚合物支架不同，其力學性能和壁厚均接近傳統永久支架[13,16]，適應證范圍也更大。早期的可降解金屬支架材料多為鎂和鐵及其合金[16]，大量對這兩種材料的改良性研究集中于降解速率的調控(降低鎂的降解速率[17-20]、加快鐵的降解速率[21-23])。與鎂、鐵一樣，鋅的降解產物(Zn2+)是人體必需的金屬元素之一(正常成人Zn攝入量為10 mg/d、嬰兒為2 mg/d[24])，其參與構成多種蛋白及300余種酶反應。Zn2+/Zn標準電極電勢為-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)，提示鋅的化學反應活性介于鐵和鎂之間，可能更加符合冠狀動脈支架對于材料降解時間的要求。

2 鋅合金冠狀動脈支架材料的研究現狀

2.1 合金化元素 純鋅為密排六方結構，滑移系少，塑性、強度較差，且存在晶間腐蝕傾向，無法滿足支架加工和使用要求。通過合金化對鋅的力學性能進行改良是將鋅應用于冠狀動脈支架的必要條件。人們以往通過添加合金化元素鋁、銅、鎂等以細化晶粒，改善鋅的力學性能、耐腐蝕性能和阻尼性能(合金ZA8、ZA12、ZA27)。

銅應用于醫療器械，具有抗菌、促進新生血管形成和促進成骨的作用[25-26]。銅的原子半徑(127.8 pm)與鋅的原子半徑(133.2 pm)接近，低量銅可固溶于鋅形成置換固溶體。銅-鋅相圖中存在多種金屬間化合物，在富鋅端鋅基體中的第二相是ε相，含銅量為12%～22%。鋅基體中的第二相能顯著改善鋅合金的力學性能[27]，并減少鋅合金的晶間腐蝕[28]。此外，銅能夠促進人血管內皮細胞增殖，而血管內皮細胞增殖及支架植入后的再內皮化是影響PCI遠期預后的關鍵因素[29-30]。目前已有學者嘗試將銅應用于血管支架材料(如含銅不銹鋼)[31-33]。銅可能是鋅合金冠狀動脈支架材料中的一種潛在元素。

鎂與鋅同為密排六方結構，降解產物為人體必需。研究[34]表明，鎂的加入可以降低鋅的細胞毒性，但不利于鋅合金塑性的提高。鈣、鍶、錳、鋰、鐵、鈦等金屬以及稀土元素在鋅合金中的添加也有研究。鈣、鍶等元素與骨生成、鈣化等過程相關[35]，但可能不是支架植入的理想選擇。稀土元素的加入雖然同樣能夠起到生成第二相、強化晶界的作用，但是稀土與鋅形成的金屬間化合物不易被降解吸收。將鐵加入鋅合金中能夠顯著提高合金的硬度和強度[36]，但鋅鐵之間形成的金屬間化合物也較為穩定，難以被降解吸收，且會給冠狀動脈支架加工(如拋光)造成不利影響。其他的非人體必需元素或有毒元素，如鈦和鋁，雖然是傳統的鋅合金組成成分，但可能也不能應用于可降解冠狀動脈支架材料。

2.2 力學性能 屈服強度作為材料力學性能的重要指標之一，直接影響冠狀動脈支架終產品的支撐性能。此外，產品加工、使用過程中須經歷較大的塑性變形，因此要求材料具有一定的斷裂延伸率。研究[37]認為，材料屈服強度200 Mpa以上、斷裂延伸率15%～18%才能達到要求。鋅、鎂、鐵及鋅合金的屈服強度和斷裂延伸率[38-48]如圖1。其中，商用稀土鎂合金WE43為目前唯一獲得上市許可(CE認證)的金屬可降解支架，而不銹鋼316Lss則代表目前市場主流永久支架材料。

需要指出的是，純鋅熔點較低，在室溫變形后會再結晶，不發生加工硬化。有研究[43,49-50]表明，延伸率低于15%的鑄態鋅及其合金也可以完成加工成型，這可能是因為將鋅合金材料制成毛細管的過程當中，材料經歷了較大比例的塑性形變，晶粒細化使其塑性提升。

2.3 降解性能 體外和體內多項研究[23,47,49-51]結果證實，鋅及其合金的降解速率介于鎂合金與鐵合金之間，可能更加符合冠狀動脈支架對于材料降解時間的要求。因此，目前有關鋅及其合金醫療應用的研究多涉及降解速率的表征，而很少涉及降解速率的調控。目前國際上腐蝕速率研究較為普遍的參考標準是美國材料與試驗協會(ASTM) G31-72，試驗溫度一般控制為37℃以模擬人體環境，腐蝕液成分選用Hank’s溶液。近年報道的部分鋅-銅系合金腐蝕速率見表1。

圖1 鋅合金冠狀動脈支架材料的力學性能[34,36,38-46]

表1 鋅合金腐蝕速率

2.4 生物相容性 鋅作為人體必需元素之一，成人正常攝入量為10 mg/d。而一枚以鋅為基體材料制成的常用規格(直徑3.0 mm、長度20 mm，支架梁厚度0.1 mm)冠狀動脈支架的質量約為25 mg。因此，鋅合金支架在冠狀動脈血管的使用一般不會給人體造成全身毒性。局部毒性(體外評價以細胞毒性為代表)是對材料生物相容性評價的關鍵指標。按照 ISO10993(我國轉化標準為GB16886)系列標準要求，用于冠狀動脈支架的鋅合金材料必須進行細胞毒、致敏性、皮膚刺激、急性毒性、亞慢性毒性、慢性毒性、植入、遺傳毒性及血液學相關試驗。在生物相容性評價國際標準體系中，鋅鹽是細胞毒性試驗的陽性對照物。鋅鹽細胞毒性可能為鋅合金冠狀動脈支架產業化應用需要解決的問題之一。Tang等[34]的研究發現，在鋅銅合金中加入鎂元素，能夠降低細胞毒性。而鋅的細胞毒性與鎂[52]相似，其浸提液需要稀釋6～10倍才能達到國際標準。

2.5 動物實驗研究

2.5.1 純鋅植入動物血管 2013年，Bowen等[37]在《ADVANCED MATERIALS》雜志上發表了關于純鋅的動物實驗研究，第1次提出鋅作為一種可降解支架材料，其降解特性可能是較為理想的。該研究觀察了純鋅絲插入大鼠腹主動脈6.5個月的降解規律，發現純鋅在大鼠體內前3個月降解緩慢，4.5個月后顯著加快(圖2)。該降解規律符合冠狀動脈支架植入后內皮覆蓋和對支架支撐力維持時間的要求，引起了關注。2015年，該研究團隊通過組織切片進一步分析了純鋅絲在大鼠腹主動脈內的生物相容性[53]，未發現支架內再狹窄的誘因事件(炎癥反應、局部壞死或內膜增生)。

圖2 鋅絲植入大鼠腹主動脈背散射圖

2.5.2 純鋅以支架形態植入動物血管 2017年，Yang等[47]將純鋅制成血管支架，植入兔腹主動脈中，首次觀察了純鋅以支架形態在動物血管內的反應，發現純鋅支架在兔腹主動脈中完整保持了6個月，植入12個月后降解(41.75 ± 29.72)%。該研究認為純鋅在兔腹主動脈中的降解機制如圖3。

圖3 純鋅支架在血管中的降解機制

A, B：鋅暴露于流動血液，逐步形成氧化鋅和磷酸鋅(鋅→氧化鋅/氫氧化鋅→氧化鋅/磷酸鋅)；C, D：在新生內膜覆蓋的環境下，磷酸鋅向氧化鋅和磷酸鈣轉化.掃描電子顯微鏡(SEM)照片：左側為支架表面，右側為截面圖

2.5.3 二元合金(鋅-鋰)的動物實驗 Zhao等[46]將鋅鋰合金絲植入大鼠腹主動脈，發現鋅鋰合金植入2～3個月的降解速率接近理想的降解速率(20 μm/y)，認為9個月降解產物分布示意圖如圖4。

圖4 鋅鋰合金在大鼠腹主動脈中9個月降解示意圖

3 鋅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過10年[54]。隨著澳大利亞、歐盟和FDA相繼提示其使用風險后，上市僅1年的BVS(可降解聚合物支架)退出市場。鋅合金冠狀動脈支架的研發同樣任重而道遠，材料的支撐性能、耐疲勞性能、抗蠕變特性能否適應人體的復雜環境，以及降解產物的代謝是否損害靶血管及周圍組織等，都需要進一步研究驗證。

目前有關鋅合金材料的研究多集中于理論研究，與產業化應用尚有差距。國內外研究多給鋅及其合金的細胞毒性給出了較為樂觀的評價。現有對可生物降解鋅合金的研究中，僅少數關注了材料的可加工性能(塑性變形性能、可拋光性)，多數鋅合金材料未經可加工和使用性能驗證。除上述動物實驗外，目前鮮見大動物模型原位植入(如豬心臟冠狀動脈)，而大動物實驗是鋅合金支架產業化應用的重要步驟。

4 小結與展望

鋅合金以其較理想的力學性能、生物相容性及降解速率，近年來成為可降解冠狀動脈支架材料研究的熱門之一。2013年以來，鋅合金材料的研究增多，但目前還處于理論階段，其產業化應用還需要大量基礎和臨床研究支持，同時鋅合金材料性能的評價技術也需要進一步發展。我國目前在該領域的研究處于世界前列，有可能在產業化應用方面首先取得突破，從而引領下次PCI技術革新。