干货分享！表面改性技术在心血管支架中的应用

20 世纪80 年代， 一种楼空管状支撑物被发明用于恢复狭窄血管的血液流动，这就是心血管支架的雏形。用于制造支架的金属材料有316L不锈钢、铂铱合金、钽合金、镍钛合金、钴铬合金、镁合金等。

裸金属支架(bare metal stent，BMS) 最先进入临床应用，其植入后发生再狭窄的比例高达20%~30%。研究发现， BMS术后发生较高的再狭窄率与介入过程中血管支架嵌入血管壁造成的血管损伤有关。受损血管处发生凝血反应和炎症反应，血小板在BMS表面黏附与活化，炎性细胞在损伤处聚集，血管壁损伤暴露的平滑肌细胞发生增殖，从而诱发高的再狭窄率。还有研究报道，支架材料中的镍离子溶出也是发生支架内再狭窄的一个诱因。因此，需要通过对心血管支架进行表面改性的方法，来降低再狭窄的发生率。

根据涂层材料的作用不同， 可将支架涂层分为被动涂层和主动涂层：

被动涂层指具有良好生物相容性的材料涂覆在支架表面，作为屏障以减少支架的；

不良作用；被动涂层的制备是通过表面防护涂层技术来实现的，主要包括表面钝化、真空阴极弧放电、离子束辅助沉积/化学气相沉积、聚甲基丙烯酸丁醋涂层等技术。主动涂层指支架涂层携带药物直接抑制内膜增生。

最先应用于临床的心血管支架为BMS，其材料为惰性金属材料，这种金属材料赋予心血管支架以良好的力学支撑性能。但这种惰性金属支架将永久留存在血管壁中，成为人体的一部分。因此，服役初期金属材料的生物相容性，以及服役过程中可能发生的金属离子(如Ni、Cr、Co) 溶出都会影响支架的临床使用效果。为了进一步提高金属支架的生物相容性，降低因金属离子溶出而引发支架内再狭窄的风险，支架表面防护涂层技术一度成为研究的热点。

自20世纪90年代起，发展了可提高心血管支架表面生物相容性的惰性涂层，如金、氧化铱、碳化硅、氧化铁、碳等涂层。各种涂层的形成机制不同，需要采用不同的制备技术。

1-钝化技术

目前临床广泛应用的心血管支架材料有316L不锈钢、L605钴基合金和镍钛合金，均具有强烈的自钝化倾向，在大气以及大多数水环境中金属表面会自发地生成一层致密、稳定的钝化膜。

这一原生钝化层的厚度虽然仅有几纳米，却作为防护屏障，隔绝了金属基体与腐蚀性生物环境，从而赋予金属材料优异的生物相容性。

多数人认为医用金属材料的生物相容性主要由其表面原生氧化层的性质所决定，例如，氧化层的组成、厚度、结构、均匀性、缺陷浓度等因素会影响原生钝化膜中离子传输以及钝化膜在不同环境中的稳定性，而且这些因素还会相互影响。

316L不锈钢由于具有良好的力学性能和耐腐蚀性能，令人满意的生物相容性以及低廉的价格等综合优势，被广泛应用于制造植入类医疗器械，也是应用于支架金属平台的材料，通常采用热处理、电化学处理和钝化的方法来改变316L不锈钢的表面性能。其中钝化是一种简便易行的不锈钢表面改性技术，绝大部分钝化采用工件在钝化液中浸泡的处理技术来实现。

虽然大多数不锈钢血管植/介入器件产品描述中不会提及表面钝化的技术细节，但根据材料自身特性，多数产品都需要进行表面钝化处理，以提高植入器件的生物安全性。

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2-等离子体浸没离子注入技术

等离子体浸没离子注入技术是将器件浸没在均匀的低压等离子中，通过施加高压负脉冲，使器件表面上的等离子体获得相应能量之后沉积形成涂层的一种技术。其中等离子体可由阴极真空弧光放电等技术产生。

采用等离子体浸没离子注入技术沉积氧化铁涂层具有优异的生物相容性，与现有支架平台金属材料相比，它可以延缓血液凝固，并具有诱导和促进内皮细胞增殖的功能。金属表面的氧化铁涂层还可以作为物理屏障减小金属离子的溶出，并降低因金属离子溶出而引发的毒性反应。因此，金属支架表面的氧化铁涂层可以抑制凝血、促进内皮化和受损血管的愈合。

西南交通大学在金属心血管支架表面制备氧化铁涂层方面进行了大量研究，首先是氧化铁涂层与316L不锈钢基体附着力的研究，如图3.16所示：

研究结果表明，涂层厚度对涂层与基体附着力影响较大，当涂层太厚时，支架变形会使涂层崩解、脱落，相比之下，涂层厚度在25nm时，涂层与基体的附着力较好，涂层可以经受支架变形处理而不产生裂纹。此外，还将氧化铁涂层通过等离子体注入的方法制备于L605钴基合金支架表面，并通过循环变形试验分析涂层的耐疲劳性能和耐腐蚀性能。研究结果表明，经氧化铁涂层处理的L605合金具有良好的耐疲劳性能和耐腐蚀性能，具备临床应用价值。

3-气相沉积技术

源于纳米金刚石或DLC沉积的碳涂层可以使金属表面具有优良的生物相容性和抗纤维包裹性能。

碳涂层具有高硬度和低摩擦系数的特性，溅射和离子束辅助沉积技术被广泛用于在医用金属材料表面制备这种碳涂层。体外试验证实，DLC涂层支架可抑制血小板活化和血栓形成，当其暴露在流动的富含血小板的血浆中时，几乎没有血小板的聚集和离子的释放。但在动物试验中，观察支架植入后6周的内膜增生情况时，却发现其与无涂层支架没有显著差别。

热解碳是一种新兴的支架用化学惰性涂层材料，其生成机理基本上都是在流化床中经烃类物质进行热裂解，通过化学气相沉积而制得。根据这一原理，热解碳涂层应用于心脏瓣膜材料上，并在长期的临床记录中被证明安全有效。其后，人们设计了涂覆碳涂层的不锈钢支架，并植入猪体内进行了I临床前试验，结果显示内皮化良好，血栓较少，并且没有明显的炎症反应。然而，临床试验研究表明，碳涂层支架和BMS的再狭窄率分别为31.8%和35.9%，临床效果并没有显著改善。

还有研究表明，碳化硅涂层支架具有良好的血液相容性，可降低血小板和白细胞的黏附和活化。一项多中心非随机临床研究表明，无论是在一般、复杂还是高危(AMl、小管径、慢性完全闭塞、隐静脉桥、冠状动脉同种移植血管疾病)病变处植入碳化硅涂层支架，急性和亚急性血栓形成率均较低，植入6个月发生的再狭窄率同样较低。

4-聚甲基丙烯酸丁醋涂层技术

聚甲基丙烯酸丁醋(PBMA) 是一种具有良好力学性能的惰性聚合物，最早被应用于药物洗脱支架(DES) 的载药涂层。这种聚合物涂层的制备方法多采用溶胶-凝胶法，通过浸涂方法将聚合物药物涂层制备于心血管支架表面。随着惰性药物涂层逐渐被可降解药物涂层替代， PBMA作为过渡涂层材料被应用于金属支架平台与药物涂层之间，以期赋予支架良好的生物相容性。

以上介绍的涂层技术都是被动涂层技术，仅定位于涂层自身生物相容性好，并作为物理屏障改善心血管支架的生物安全性。而主动涂层则是通过一定的涂层技术在支架表面制备功能性的涂层，实现血管支架的某些功能特征。

主动支架涂层制备技术有很多，具有代表性的有浸泡、包裹、共溶和接枝等方法。

浸泡，是指直接将支架放入含药溶液中，从而使其带药；

包裹，是指将支架在药物溶液中浸泡后，再用涂层材料对带药支架进行涂层修饰；

共溶，是指将药物与涂层材料在同一溶剂中溶解后，对支架进行涂层制备；

接枝，是指先以涂层材料作为支架涂层，然后药物通过其官能团与涂层材料官能团反应，从而将药物连接在支架上。

临床应用的药物支架载药涂层的和制备技术主要是采用共溶法，通过超声雾化喷涂技术实现支架表面涂层的均匀制备。

1-第一代药物支架

第一代心血管支架BMS的临床应用，虽然在一定程度上降低了球囊成形术后的急性、周期性并发症和弹性回缩的发生率，但随之而来的是一定比例的亚急性血栓事件和后期的支架内再狭窄(ISR) 的发生，对支架植入血管后发生支架内再狭窄机制的研究，将抑制增殖类药物应用到裸金属支架表面，以期实现这种功能化药物的缓慢释放，降低支架内再狭窄发生率，由此诞生了药物洗脱支架(DES)。

2001年披露了首个雷帕霉素DES可行性临床研究结果，随后公布了大量相关临床研究数据。9个月的临床随访结果表明，雷帕霉素DES可以有效降低支架内再狭窄发生率，从BMS的36.3%.降低到8.6%(p<0.001) 。1年的临床随访结果显示：DES 植入后发生的主要心脏不良事件(MACE) 比率(5.8%) 远低于BMS (28.8%) (p<0.001)。

2003 年公布了紫杉醇DES的可行性I临床研究结果，其靶病变血运重建(TLR)、靶病变血管再生(TVR) 、MACE事件发生率都比BMS显著降低。从此，全面开启了第一代DES的临床应用。

2-第二代药物洗脱支架

随着研究的不断深入，人们发现支架植入后发生的炎症反应和再狭窄与支架的网丝厚度有着一定的关联性。因此，一种具有更薄网丝，但可以对病变血管提供足够支撑的新型心血管支架成为支架开发的下一个目标。L605 钴铬合金具有较高的力学性能，而使这一目标变为现实，由此诞生了第二代药物洗脱支架。

但对比临床统计数据发现，第二代药物洗脱支架并没有明显改善支架植入后的随访指标，绝大部分表现为非劣效。此外，还发展出一款以铂铬合金(一种含铂奥氏体不锈钢〉作为支架金属平台的药物洗脱支架，其具有更好的柔顺性，可以输送到复杂、远端病变。但临床数据显示，这种高柔顺性支架会在植入后发生变形，从支架力学性能角度分析，可能是因为支架结构中缺少刚性结构，以及支架支撑强度较低。

这种支架只适用于对强度要求不高，需要频繁过弯或需要通过侧枝的病变，而对于那些钙化病变则不适用。

在第二代药物洗脱支架发展过程中，还出现了雷帕霉素和紫杉醇的衍生物，包括依维莫司、佐他莫司(Zotarolimus) 等。

此外，对药物释放周期也进行了适当的调整，分为快速释放和缓慢释放两种模式。快速释放模式可以缩短药物释放时间，同时可缩短双抗治疗周期，从而降低服用双抗而引起的副作用。但多数受损血管需要更长的修复期，因此延长药物释放周期(缓慢释放模式)可以降低支架内再狭窄的发生率，但同样会带来另一个问题，就是内皮化延迟而引发的晚期血栓。

虽然药物洗脱支架在临床应用中还存在不尽如人意之处，但这种微创的医疗器械确实是临床用来治疗血管疾病的有效途径。在支架发展过程中，几款重要的支架汇总于表3.1中：

3-新一代药物洗脱支

架通过进一步分析支架表面药物涂层的作用位置，发现其靶作用位置是与支架直接接触的血管壁，由此发展出一种药物涂层仅分布在支架外表面的药物洗脱支架。支架植入后涂层中的药物直接扩散进入血管壁，靶向给药提高了药物的利用率，同时降低了对非靶向部位的抑制内皮化的副作用。

心血管支架对于人体而言是一种外来物质，在植入过程中不可避免地会对血管组织造成损伤，目前临床用来降低异物反应和损伤修复的办法主要是药物抑制作用。

随着仿生学的兴起，主动赋予心血管支架以生物功能成为现今研究的热点。内皮化是血管壁修复的最重要的因素，在血管壁损伤后，尽快建立功能性内皮层将会降低支架内再狭窄和血栓发生的风险。

生物功能化涂层技术是利用物理或化学方法将生物功能化分子或可实现生物功能特性的物质添加到涂层中。生物功能化分子主要包括蛋白、多肤、生长因子、抗体等。此外，还有一些物质可以实现生物功能特性，如一氧化氮(NO) 、铜(Cu)、肝素等。

制备功能化涂层的物理方法有物理共混、物理沉积和物理吸附等，其中物理共混方法最为常用。主要是通过将功能化分子或物质与涂层载体共混于溶剂中，通过浸提、旋滴、喷涂等方法将涂层制备于心血管支架表面。植入后通过溶解/扩散的方式释放到靶位置，从而实现生物功能。

化学方法相比于物理方法，在生物功能化涂层技术中更为重要。化学方法多是利用分子间的活性官能团的相互作用，来实现功能化分子的固定，这种制备方法获得的涂层中功能性物质的利用率较高，多为单层分布。而且这种结构的涂层可以与靶病变组织直接接触，生物功能性能够得到更好的体现。

1-内皮祖细胞涂层

内皮祖细胞(EPCs) 是血管内皮细胞的前体细胞，也称成血管细胞，在生理或病理因素刺激下，可从骨髓动员到外周血中，参与损伤血管的修复，是内皮化的重要影响因素，2011年，内皮祖细胞捕获支架这一新的概念被提出，目前己开发出一款携带内皮祖细胞捕获因子的双药支架(COMBO支架〉。这款支架将一种可以捕获内皮祖细胞的生长因子(CD34 +)制备于支架管腔内侧，外侧制备传统的具有抑制增生功能的雷帕霉素涂层，以期同时具有抑制内膜过度增生和快速实现内皮功能修复的特性，是一款生物功能化支架。该支架的动物试验结果显示出较好的生物安全性。临床数据对比结果显示，这款内皮捕获支架与传统药物洗脱支架相比表现为非劣效，然而这种设计符合理想支架特性，是未来的发展方向。

除了抗体蛋白以外，生物分子如肝素、磷酸胆碱、白蛋白、弹性聚合物、血栓调节素、适配体等也成为用来赋予血管支架生物功能化的研究热点。

2-肝素化涂层

自1963年首次报道肝素化表面以来，肝素因其具有良好的抗凝血与抗炎特性而闻名，很快被广泛用于修饰心血管植入材料表面。

表面修饰肝素涂层的支架相比于未改性的聚四氟乙烯涂层支架，其血小板聚集程度明显降低。肝素主要是降低活化的血小板表面上的GPIIb/IIIa 表达量，以减少凝血反应。肝素通常与生物分子(如壳聚糖、胶原蛋白和纤维连接素)协同使用，从而获得更为显著的生物活性。

近10年来，各种表面肝素化技术被争相报道，最为典型的是层层自组装技术和共价键接枝技术。

层层自组装固定肝素往往不够牢固，在体内无法长期稳定存在。肝素生物分子经过共价键接枝在心血管支架表面，是一种颇具效果的表面修饰手段，可以在生物分子接枝过程中保留丰富的反应官能团，因而在抗凝血方面得到了广泛的研究。然而，其也有亟待改进的不足，即对于生物醇等小分子而言，固定后往往官能团失活，失去原有的设计优势。等离子体聚合作为一种可以实现在心血管支架表面构建良好表面覆盖性和官能团活性均质无针孔膜的技术，正在成为多种生物材料基底表面改性的研究热点。有研究者通过脉冲等离子体制备聚丙烯胶薄膜，并将其沉积在镜面抛光的316L 不锈钢表面，如图3.17所示

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为了验证薄膜的生物学性能，采用全血孵育的试验，并通过细胞乳酸脱氢酶来检测血小板黏附情况与整体凝血情况。此外，通过在制备的薄膜上进行人脐内皮细胞与平滑肌细胞相对应的细胞学表征，证明共价固定肝素的聚丙烯薄膜除了具有优异的抗凝血性能，还可以促进内皮细胞生长，抑制平滑肌细胞增殖。为了进一步验证涂层在体内的性能，进行了狗的体内支架植入试验，进一步确定了涂层优异的生物学性能。

3-磷酸胆碱涂层

磷酸胆碱是一种两性离子，在涂层构建中可以起到防止蛋白与细胞黏附的作用，因此经磷酸胆碱修饰的支架具有较好的抗血栓作用。虽然目前磷酸胆碱聚合物涂层处理的药物洗脱支架己经商品化，但其仍然受到关注与研究。通过磷酸胆碱的共价修饰，将其结合于TiA16V4合金表面，可获得稳定的血液相容性表面。

具有较好亲水性的2-甲基丙烯酰氧乙基磷胆碱，同样可以用于制备具有良好抗血栓性能的基础药物储存材料。类似的涂层都表现出减少血栓栓塞风险的潜力，但是还有待进一步的临床评估。

除了以上常见高分子外，有些适配体如FVlla、FIXa等，其本身不仅可以作为治疗性的抗凝血剂，还可以携载到支架表面。除了这些用于临床药物的携载分子外，腺苷三磷酸、双磷酸酶、肽聚糖、白蛋白、弹性蛋白、一氧化氮等物质均可以抑制血小板活化。

研究证明，在材料表面固定腺昔三磷酸双磷酸酶，可以通过分解腺昔二磷酸，抑制血小板活化，从而防止进一步的凝血级联活化。

一氧化氮涂层一氧化氮可以通过与血小板和单核细胞表面糖蛋白、p-选择素、整合素CDllb产生效应，降低血小板和单核细胞活化水平。当分别在兔的病理模型和羊的动、静脉桥接模型中植入含有可释放一氧化氮的生物聚合物涂层的金属支架时，发现其可以有效减少血栓形成。

由于这些生物分子的血液相容性较好，同时功能丰富，因此很多己经处于临床应用前研究。然而诸多适配体、释放二氧化氮的生物聚合体涂层，以及肽基生物材料，都还处于研究探索阶段。

综上所述，支架置入术后的原位快速内皮化，作为抑制局部血栓形成和再狭窄的应对机制是一种有前景的治疗方法，越来越受到重视。未来心血管支架表面改性的发展，将会围绕快速完成支架植入后内皮化的思路，以仿生、高效为理念，最终实现心血管支架植入后零再狭窄、零血栓事件的终极目标。

*以上内容引自《生物医用金属材料》杨柯，王青川著一科学出版社. 2021.11(生物材料科学与工程丛书/王迎军总主编〉