金属-聚合物复合支架加速铁基生物材料生物降解的策略-技术前沿-资讯-生物在线

金属-聚合物复合支架加速铁基生物材料生物降解的策略

作者：上海睿度光电科技有限公司 2021-05-07T00:00 (访问量:9186)

复旦大学丁建东教授课题组借助RUIDU自主研制的超声喷涂系统，对聚乳酸PLA涂层的质量进行了很好的控制，成功制备出了可加速铁基生物材料降解的金属-聚合物复合支架。为生物可降解材料的研究提供了新的思路，为生物可降解心血管支架的开发提供了一种简单的候选技术。

调节生物材料降解速率的新原理和新技术是再生医学和新一代生物材料发展的关键之一。生物可降解支架是应用于经皮冠状动脉介入治疗的新一代医疗器械。近年来，腐蚀金属和可降解聚合物作为可生物降解支架材料受到了广泛关注。然而，实现良好的力学性能和适当的退化剖面是个难题。复旦大学丁建东教授课题组提出了“Strategy of Metal–Polymer Composite Stent To Accelerate Biodegradation of Iron-Based Biomaterials”（发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》）来应对上述问题。铁支架具有优异的力学性能和低的体内腐蚀速率。研究团队推测生物可降解脂肪族聚酯涂层由于其酸性降解产物等原因会加速铁的腐蚀。为了证明这种复合材料技术的可行性，研究团队首先进行了体外实验，证实了聚乳酸（PLA）涂层覆盖铁片腐蚀速度更快。然后，制作了三维金属聚合物支架（MPS），将新型支架植入新西兰大白兔主动脉，并放置金属基支架（MBS）作为对照。进行了一系列体内实验，包括测量支架的残余质量和径向强度、组织学分析、显微计算机断层扫描和植入部位的光学相干断层扫描成像。结果表明，MPS在某些情况下完全腐蚀，而MBS的铁支柱在植入后的几个月仍然存在。通过调整PLA涂层的组成可以很容易地调节MPS的腐蚀速率。

大多数可降解材料在机械强度等关键性能上都不如知名的不可降解材料。从理论上讲，没有任何一种材料是绝对稳定的，“生物降解”一词通常是指某一材料在一定的医疗期内（如3年）失去其机械支撑能力或大部分质量。因此，在具有医学意义的时间尺度内，使经典的不可降解或慢速可降解材料“可生物降解”是材料科学和再生医学的一个非常重要的基础性课题。在此，报告一个案例，在研究团队努力开发新一代心血管支架的过程中，使用一种简单的材料技术，使铁可被聚合物涂层生物降解。心血管支架的出现开启了心血管疾病治疗的新时代，第一代为裸金属支架（BMS），第二代为药物洗脱支架（DES）。对于BMS和DES，永久性金属支架固定血管，并干扰未来的无创成像和治疗选择。因此，生物可降解或生物可吸收支架非常受欢迎。对于第三代支架，理想的降解时间成为一个新的关键参数。BMS的发展和DES广泛的临床实验显示，一个理想的心血管支架应该确保足够的初始支架植入后消除船反冲然后它可能失去大部分的机械支持期间，说，3−6个月，与组织再生，逐渐被身体吸收，避免长期并发症。

可腐蚀金属和可降解聚合物是制备可降解支架的两大类生物材料。在这两种技术路线上进行了许多努力，最终形成了由聚合物和金属组成的支架。一般来说，金属支架表现出更好的机械性能；聚合物，尤其是聚酯，表现出更可调节的生物降解率。这两种性能对于第三代支架来说都非常重要。当然，生物相容性是另一个需要考虑的问题，尤其是在尝试非传统材料时。因此，在不同种类的传统材料的基础上采用复合技术来产生新的有用的功能，是加速开发下一代生物材料的策略之一。

该论文报道了一种复合材料技术，利用高分子涂层制备可降解铁支架，为生物可降解材料的研究提供了新的思路，为生物可降解心血管支架的开发提供了一种简单的候选技术。研究团队开发由铁基支柱和聚酯涂层组成的金属-聚合物支架（MPS）。相反，该团队建议用MBS（金属基支架）来描述裸铁支架。据团队所知，这是迄今为止报道的唯一一种在6个月内使铁在体内可生物降解的方法。对于MPS，铁支柱保证了船体坚固的初始支架，而聚酯涂层则会加速铁的腐蚀。团队称聚酯涂层铁为“复合材料”，因为这里的聚酯涂层与普通涂层不同，普通涂层只是添加到基材表面以加载药物或作为保护涂层以延缓金属腐蚀采用生物可降解聚合物PLA制备聚酯涂料。

文中首先通过模拟等离子体的汉克溶液浸泡试验，研究了PLA涂层对铁皮腐蚀行为的影响。值得指出的是，体内试验更为重要，因为铁的腐蚀是一个复杂的过程，强烈地依赖于腐蚀微环境。因此，研究团队将支架植入兔血管内，直接评价支架在生理环境下的腐蚀行为。将MBS和MPS植入新西兰大白兔腹主动脉，观察其腐蚀情况。团队测量了支架植入后的残余质量和桡骨强度。微计算机断层扫描（Micro-CT）用于大体观察MPS和MBS在体内的生物降解。此外，通过组织学分析和光学相干断层扫描（OCT）检查MPS的生物相容性。表面上，聚合物涂层可以保护金属不受腐蚀，但我们发现适当的PLA涂层最终会加速铁的腐蚀。该研究旨在报道这样一个有趣的现象，应用材料和界面在体外和体内。

实验方案

准备铁片，MBS和MPS。将厚度为100 μm的铁片切割成尺寸为26 mm × 22 mm的矩形，用SiC纸机械抛光。先用丙酮和无水乙醇对切割后的铁皮进行超声清洗，再用氮气快速干燥。将PLA颗粒，溶于乙酸乙酯，制备1% w/v的PLA溶液。然后利用上海睿度光电（RUIDU）研制的超声喷涂系统对PLA溶液进行5次超声波喷涂。注射泵分液量为0.10 mL/min，超声功率为4.75 W。在超声波喷涂过程中，将φ 2.0 mm圆形孔排列整齐的金属掩膜覆盖在铁皮上，生成了一个圆形的PLA涂层阵列。浸水试验前，将镀铂铁板背面及周边边缘用硅胶密封。在抛光之后，MBS被精确地称重。通过超声波喷涂将PLA溶液喷涂在MBS上制备MPS。具体来说，顶杆上的MBS以250 rpm的速度旋转到雾化PLA溶液中。超声功率为1.0 W，注射泵给药速率为0.05 mL/min。对每个MPS进行称重，并对PLA涂层的质量进行了很好的控制。制备了三组不同组成的PLA多磺酸粘多糖涂层。对于每个多磺酸粘多糖，PLA涂层中装载了32 μg雷帕霉素。将雷帕霉素溶于PLA的乙酸乙酯溶液中，并与PLA一起喷涂在支架上。所以MPS也可以被称为铁基药物洗脱冠状动脉支架。

▲ 图1 体外浸泡试验。（A）铁皮表面涂有直径约2mm、厚度约2 μm的PLA阵列的示意图。（B）浸在Hank溶液（pH值为7.4）之前和之后涂有PLA阵列的铁片的光学照片。

含PLA涂层和不含PLA涂层铁皮的体外浸渍试验。为了证明PLA对铁腐蚀的加速作用，我们在铁片上制备了PLA阵列，如图1A所示。当每个样品的背面和周边边缘密封良好时，上表面与Hank溶液接触，Hank溶液具有与等离子体相同的无机盐。透明PLA涂层在宏观和光学摄影下不可见。在Hank溶液中浸泡2天后，PLA阵列覆盖区域腐蚀明显，形成砖红色锈迹，如图1B所示。相比之下，裸露的铁表面却没有腐蚀的迹象。所以，是PLA涂层加速了铁的腐蚀。第4天，整个铁皮表面腐蚀。一般来说，聚合物涂层可以防止金属腐蚀。在本实验中，虽然PLA涂层可能在很早就阻止了铁的腐蚀，但在一定时间后（在目前的实验条件下，不到2天），铁的腐蚀开始加速。值得注意的是，从电化学的角度来看，铁在涂层阵列中的腐蚀可能与均匀涂层下的腐蚀不同。然而，在完整的PLA涂层下，铁在几天后也表现出更高的腐蚀速率。因此，研究团队的体外浸泡试验证明PLA涂层最终会加速铁的腐蚀。裸铁和镀铂铁的表面润湿性和FTIR光谱。研究团队用水接触角来表征裸铁皮和镀铂铁皮的表面润湿性。从图2A的结果可以看出，PLA涂层的表面比裸铁表面具有更强的疏水性。研究团队也用红外光谱来检测表面化学。镀PLA的铁在FTIR光谱中的吸收峰与PLA膜的吸收峰一致，如图2B所示，说明在铁皮上成功形成了PLA涂层。

▲ 图2 铁皮表面PLA涂层的物理化学表征。(A)裸铁板和镀锌铁板表面的接触角。(B) PLA涂层在铁皮、PLA膜、裸铁皮上的FTIR光谱。

▲ 图3 兔支架腹主动脉的显微ct图像。植入后，将MBS和MPS-B支架的兔腹主动脉切段取出，进行micro-CT检查，观察时间。

实验还表明，PLA涂层可以很容易地调节腐蚀速率，这对可生物降解支架来说是非常重要的。支架的径向力是在初始阶段防止后缩和实现血管收缩重构的重要因素。生物可降解支架是理想的，以保证支架在植入后的头3或6个月。植入后1个月、3个月、6个月分别检查MBS、MPS-B、MPS-C。根据标准的径向压缩实验，将原支架压缩10%时的应力定义为径向强度。6个月后，MPS-B和MPS-C腐蚀严重，无法进行压缩实验。这些结果表明MPS可以在前3个月内支架支架血管，在植入6个月后释放笼内血管。到目前为止，研究团队已经研究了残余质量和径向强度，定量追踪了植入1个月、3个月和6个月后MBS和MPS的腐蚀情况。

不可能追踪MPS-B的腐蚀过程的剩余质量和径向强度植入后6个月或更长时间，因为铁支架损坏，上面的两个分离残留的测试支架消除周围组织和腐蚀产物后不可用。因此，研究团队利用micro-CT直接观察支架通过周围组织的长期腐蚀形态。micro-CT下支架清晰可见，分辨率0.5 μm。如图3所示，在第3个月和第12个月，MPS的腐蚀都比MBS严重。虽然MBS的大部分铁支柱在12个月时仍然没有被腐蚀，但MPS几乎完全被腐蚀。显微成像结果表明，PLA涂层具有加速铁腐蚀的作用。还可以看出，腐蚀产物主要位于原位。

研究团队还对植入支架的长期生物相容性进行了初步检查。作为演示，HE染色图像如图4所示。术后12个月在光学显微镜下观察MPS-B支架植入兔腹主动脉的横切面。MPS-B的铁支柱转化为腐蚀产物，呈粗糙的褐色颗粒状。腐蚀产物主要聚集在支柱周围，被新生内膜完全覆盖。没有发现明显的内膜增生和支架血管的显著炎症反应。此外，腐蚀支柱附近的介质和内部弹性膜没有被破坏。虽然似乎值得注意的是，唯一轻微的再狭窄可能主要归因于复合支架中PLA层中的药物雷帕霉素，但组织学实验表明，研究团队在MPS中的新材料体系并没有导致重大的生物相容性问题。

▲ 图4 MPS-B支架植入12个月后兔腹主动脉横断面的光学显微图。观察前进行HE染色。

虽然以上所有的观察或测量最终都是在体外或体外进行的，但研究团队也使用OCT在活体动物上观察植入部位。OCT是一种强大的支架评估工具，已经成为支架和血管相互作用研究的首选方式。在OCT检测中，近红外光用于捕获光学散射生物组织内微米分辨率的三维图像。在此，OCT被用于跟踪MPSB在体内的腐蚀和生物安全性。在基线和12个月随访时，研究MPS-B的支板外观，如图5所示。

▲ 图5 12个月随访时MPS-B 的OCT成像。上图为动物OCT成像图。在基线时，将MPS-B植入兔腹主动脉后，立即获取OCT图像。随访12个月，OCT成像，左下角为支架节段的代表性横截面图像。

一种使用简易聚酯涂层的策略已被提出并验证，使铁支架可生物降解（实际上在临床需要的时间尺度上腐蚀），这是非常低的体内腐蚀速率。通过适当的PLA涂层，铁支架的强度在体内3 - 6个月完全丧失。MPS的腐蚀速度比MBS快，主要是由于PLA水解降解产物的影响。动物实验采用新西兰大白兔腹主动脉内植入支架的方法观察组织再生。通过适当的PLA涂层组成，MPS是可生物降解冠状动脉支架的候选材料。本研究表明，具有良好初始机械强度的可腐蚀金属和降解率可调的可降解聚合物这两类生物材料可用于制备既具有良好力学性能又具有理想生物降解特性的复合生物材料。这一新原理似乎对生物材料和再生医学的研发很有帮助，如果聚合物和金属的降解或腐蚀速率需要得到显著的调整或关注，也可能对其他应用材料产生启

参考文献：

Yongli Qi, Haiping Qi, Yao He, et al. Strategy of Metal−Polymer Composite Stent To Accelerate Biodegradation of Iron-Based Biomaterials[J]. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 182−192

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