李 盼，冯 静，许博轩，王志超，房德磊，曹 琳，张峻霞

（1.天津科技大学机械工程学院，天津 300222；2.天津市轻工与食品工程机械装备集成设计在线监控重点实验室，天津 300222）

0 引言

据国家心血管病中心组织专家撰写的《中国心血管健康与疾病报告2021》显示，我国心血管疾病人数已达3.3 亿，且在城乡居民疾病死亡构成比中心血管疾病占首位[1]。心血管疾病发生的主要原因是动脉出现粥样硬化，而动脉粥样硬化的治疗方法主要包括药物治疗、动脉搭桥术和介入治疗。

药物治疗一定程度上可降低心血管疾病发病率[2]，但药物治疗周期长，适用于轻度心血管疾病治疗[3]。动脉搭桥手术难度大，术后恢复时间长。而血管介入治疗是医生基于数字减影血管造影图像实时反馈操纵导管导丝带动介入支架至血管病灶部位进行针对性治疗，与传统外科手术和药物治疗相比，其具有创伤小、见效快、并发症少等特点，目前已经成为治疗心血管疾病最高效、精准的手段之一[4-6]。

血管介入手术采用的支架材料及性能已成为国内外学者研究的焦点。理想的血管支架应在各个方面都具有优良性能，如良好的适应性、顺应性、可操控性和生物相容性[7-9]。支架介入虽能防止血管弹性回缩，有效治疗冠状动脉疾病，但内膜增生、血栓纤维化等晚期问题仍然存在，炎症反应、平滑肌增生还会导致后期再狭窄问题的产生。因此，如何解决支架介入晚期问题已成为支架临床应用所面临的挑战。

本文介绍血管支架的发展历程，阐述金属永久性支架、覆膜及涂层支架和生物可降解支架的结构设计、应用材料、机械性能、应用现状及不足，并提出血管介入支架的未来发展方向。

1 血管支架的发展历程

血管支架是治疗心血管疾病的具有镂空微小结构的管状医疗器械，在介入手术中起到支撑狭窄闭塞血管、保持血流通畅、防止血管回弹的作用。在工作空间狭小的血管内，介入手术对支架的材料性能和机械性能都有严格要求。

冠状动脉球囊（无支架）扩张作为介入治疗的最初方式，首先将导丝穿过血管堵塞位置，利用导丝将球囊输送至病灶，通过加压使球囊膨胀，从而打开阻塞的冠状动脉，最后将球囊卸载并撤出血管，术后狭窄段血管可立即得到改善[10]。随着介入设备的研究与发展，该手术治疗方式主要采取支架介入式，并经历了3 个重要的发展阶段。第一阶段为球囊扩张金属裸支架，解决了单纯球囊扩张术后的血管回弹问题，提高了手术过程的安全性。但金属材料生物相容性低，会刺激血管壁产生严重的炎症反应和内膜增生[11]。第二阶段为药物洗脱支架，包含支架平台、药物和药物载体。与球囊扩张金属裸支架相比，药物洗脱支架上的药物能有效缓解炎症反应、抑制平滑肌细胞增殖，但早期药物洗脱支架的药物载体为非可降解材料，易导致局部炎症和过敏现象[12]，进一步增加晚期支架内再狭窄的风险。第三阶段为生物可降解支架，当血管完成重构后随人体代谢排出，在同一病灶处可完成多次介入而不受影响，且异物反应和炎症反应轻微。生物可降解血管支架可避免永久性植入物造成的内膜过度增生等不良影响，逐渐成为当前血管支架的研究热点[13]。

2 血管支架的研究现状

根据血管支架的发展历程，将支架分为金属永久性支架、覆膜及涂层支架和生物可降解支架[14]。

2.1 金属永久性支架

2.1.1 不同几何结构的金属永久性支架

根据简单几何结构可以将金属永久性支架分为管状[15]、环型[16]、编织型[17]和缠绕状[18]4 种类型，如图1 所示。

图1 不同几何结构的金属永久性支架

De Bock 等[16]分析了3 种不同支架结构和血管几何形状对支架辅助动脉瘤盘绕的影响，证明闭合设计结构的环型支架更适用于高弯曲度的血管，并且可减少由于支架置入引起的血管矫直问题。Rieu等[19]比较了缠绕状支架Cook GRⅡ与其他16 种支架的径向力，经过比较测试将共计17 种支架按弹性区域是否存在分为2 组，其中带弹性区域的支架在一定小范围作用力下可抵抗局部应力，超过阈值支架将表现为弹塑性。章青等[20]采用静电纺丝、熔融纺丝制成了有2 层管壁且外壁具有周向微槽结构的管状支架，经细胞培养证明，该支架具有良好的细胞相容性，微沟槽结构能够诱导血管平滑肌细胞沿着纤维暨微沟槽方向一致取向排列。Liu 等[21]提出了一种混合编织技术制备聚乳酸编织支架的新方法并评价了其力学性能，结果表明混合编织支架保持了薄单丝编织支架优异的柔韧性，同时具有厚单丝编织支架良好的径向支撑性能。

总体来说，管状支架径向支撑刚性好，适用于弹性张力高的分叉病变处。环型支架具有较好的柔软性及良好的传送性能，但在径向支撑刚性方面不及管状支架。编织型支架弯曲柔顺性能较好，但径向支撑性能不足，且在膨胀过程中易发生轴向短缩。缠绕状支架纵向柔软性较好但径向支撑力较差，且在膨胀过程中易出现不均匀扩张现象。

2.1.2 不同血管内扩张方式的金属永久性支架

根据支架在血管内的扩张方式，金属永久性支架又可以分为球囊扩张式支架和自扩张式支架，如图2 所示[22]。球囊扩张式支架具有支撑性能，通过球囊对支架的扩张力使支架在球囊卸除后仍可保持原有形状，进而支撑狭窄血管及疏通血液流动，如图2（a）所示。自扩张式支架是自身伴随导管进入血管，到达病变位置后，导管撤回，支架依靠自身材料的形状记忆效应进行扩张行为，如图2（b）所示。自扩张式支架的典型代表包括Wallstent 支架[23]、Radius 支架等[24]。

图2 不同血管内扩张方式的金属永久性支架[22]

针对球囊扩张式支架的结构及力学性能，学者进行了以下研究。江旭东等[25]在结构方面考虑了相同长径比N 型桥筋及非对称N 型桥筋的血管支架，构建了支撑弯曲血管的支架非线性有限元模型，分析了血管支架构型、血管几何参数和血管生物力学损伤的关系，验证了N 型桥筋支架对血管力学损伤低，更适用于弯曲血管。李萍萍等[26]设计了一种新型球囊扩张式支架，分析了该支架单胞模型在气囊膨胀受压后发生均匀膨胀的弹塑性变形，得出应力和变形预测结果，通过有限元验证得出该支架具有良好的轴向短缩率，有助于支架在血管中精确定位。谢中敏[22]设计了一种面向锥形血管的球囊扩张式支架，并研究了其体外自由扩张力学行为，得出在支架锥度与血管锥度差异性较小时支架轴向缩短率较低，对血管力学损伤较小，更适用于锥形血管。

针对自扩张式支架的结构及径向支撑能力，学者进行了以下研究。Ghriallais 等[27]探讨了支架几何建模时对称性、周期性对自扩张式支架径向位移和径向力的影响，并研究了压接对支架径向力的影响。McKenna 等[28]评估了编织角度及聚合物覆盖层对自扩张式支架力学性能的影响，评估表明编织角度越大，轴向压缩力越大，而径向力越小，聚合物覆盖层厚度为25 m 时能表现出较好的力学性能。Yoshino等[29]介绍了一种自扩张式支架的设计支持系统，可依据患者症状设计支架形状，使其具有适合相关症状的机械性能。Glushchenko 等[30]开发了一种自扩张生物可吸收聚合物支架，可在高效压接后产生自扩张行为，拥有快速生物吸收能力和足够的径向力，而且植入猪模型后支架仍表现出高效输送、加速再吸收和管腔损伤少的优势。

球囊扩张式支架受外部挤压易产生永久性变形，而自扩张式支架轴向刚度较弱，具有更强的柔性。置入血管后，球囊扩张式支架达最大直径，无法继续扩张，而自扩张式支架随时间推移可形成更大管腔，对动脉瘤、血管锥化等病变治疗有利[31-32]。

金属永久性支架的特点及适用场合见表1。

表1 金属永久性支架的特点及适用场合

2.2 覆膜及涂层支架

金属永久性支架表面无任何化学物品或聚合物材料添加，多由镍钛合金或不锈钢制成，如图3（a）所示[33]。由于金属直接与管壁接触，不可避免造成内膜过度增生，后期易导致金属支架再狭窄问题，为术后恢复带来困难[34-35]。

图3 覆膜及药物洗脱支架

由此，研究者开发出覆膜支架及涂层支架，通过不同方式将膜性材料或药物包覆在金属支架表面，起到表面改性、减少血栓的作用，也可显著减少支架内再狭窄[36-37]，如图3（b）所示。

2.2.1 永久性聚合物药物洗脱支架

最初的药物洗脱支架使用永久性聚合物涂层，与金属裸支架相比，可显著降低再狭窄率[38]。Caixeta等[39]比较了西罗莫司洗脱支架（sirolimus-eluting stent，SES）与金属裸支架5 年的临床随访结果，证明SES在减少靶血管重建术方面表现出显著优势。Fröbert 等[40]根据药物洗脱支架与金属裸支架的临床结果来验证药物洗脱支架的长期安全性及有效性，随访结果证明2 组支架内血栓形成的发生率并无太大差异，但药物洗脱支架可显著降低再狭窄问题与死亡发生率。郭景振等[41]针对药物洗脱支架植入后的再狭窄问题，对Ni/Ti 合金支架进行了结构上的可回收设计，建立了可回收支架及其回收系统的几何模型，避免了支架长期存在血管中抑制内皮细胞生长以及晚期血栓的现象。

但药物洗脱支架依然存在聚合物生物相容性较差问题，容易导致局部炎症和过敏现象，会不可避免地在晚期形成血栓，使其有效性受到限制[42]。

2.2.2 覆膜支架

覆膜支架由于外覆一层可膨性聚四氟乙烯（expanded polytetrafluoro ethylene，e-PTFE）或涤纶（pojyethylene terephthalate，PET）等非降解聚合物膜性材料，常用于冠脉穿孔时的封堵处理，如图3（c）所示[43]。包桂珍等[44]为优化覆膜支架结构，研究了覆膜支架花冠个数和支撑体宽度对血管内血流动力学性能的影响，并优化了花冠个数及支撑体宽度，为覆膜支架的选择及设计优化提供了参考依据。邱越等[45]综述了不同类型的标准化覆膜支架血流动力学的差异研究，为覆膜支架构型设计与针对性选择提供了参考。Wang 等[46]比较了覆膜支架与未覆膜支架置入上腔静脉的疗效结果，结果表明2 种治疗均达到100%的临床成功率，但覆膜支架具有更好的长期通畅性。Cui 等[47]同样证明了覆膜支架置入部位血流通畅，且能完全控制出血，不需使用抗凝药物。

与永久性聚合物药物涂层相似，由于覆膜支架上的覆膜为非可降解材料，易导致局部炎症和过敏现象，会进一步增加晚期支架内再狭窄的风险。

2.2.3 可降解聚合物涂层洗脱支架

为消除非可降解涂层及覆膜材料对晚期支架内再狭窄的影响，第二代药物洗脱支架采用可降解的聚合物载药，如图3（d）所示[48]。在药物完全释放后聚合物降解，可以降低支架植入后期不良事件的发生率。Beijk 等[49]比较了依维莫司洗脱支架与口服依维莫司在兔模型中对内膜生长的影响结果，2 种治疗方案均显著抑制兔髂动脉新生内膜生长，且内膜厚度明显低于金属裸支架。Kadota 等[50]比较了生物可降解聚合物Biolimus A9 洗脱支架（Nobori）与永久性聚合物洗脱支架（Cypher）的对照试验结果，结果证明2 种支架均表现出优异的抗增殖能力，但在支架直径狭窄方面，Nobori 支架在8 个月时明显降低。Raungaard 等[51]比较了生物相容性永久聚合物佐他莫司洗脱支架与生物可降解聚合物莫司洗脱支架的3 年随访结果，结果显示不良结果发生率在2组间差异无显著统计学意义，但在永久聚合物洗脱支架组中，超过1 个病变且使用超过1 个支架治疗的患者比例更高。

尽管提高了晚期血管的通畅率，但涂有生物可降解涂层材料的药物洗脱支架会部分表现出劣性（如1 年后支架血栓形成风险高于普通药物洗脱支架）[52]，且使用可降解聚合物药物洗脱支架所需的双重抗血小板药物治疗时间比金属裸支架更长[53]。

2.2.4 无聚合物药物洗脱支架

无聚合物药物洗脱支架通过喷砂或机械改性产生表面微孔来携带药物缓慢释放。由于与金属裸支架相似，无聚合物药物洗脱支架特别适合出血风险高的患者，如图3（e）所示[54]。Wang 等[55]采用电泳沉积方法构建了一种由磁性介孔二氧化硅纳米颗粒和碳纳米管组成的新型无聚合物复合药物洗脱涂层，体内研究表明，该复合涂层具有独特的3D 纳米拓扑结构，具有快速内皮化的明显优势。Sim 等[56]在猪冠状动脉再狭窄模型中使用氮掺杂TiO2薄膜沉积来评估使用依维莫司包被的无聚合物药物洗脱支架的功效，与商业药物洗脱支架比较显示其具有更高的生物相容性。

无聚合物药物洗脱支架与聚合物药物洗脱支架相比，药物洗脱速度较快，因此载药性能不理想。并且药物洗脱支架本体不可降解，仍然无法避免晚期血栓形成及再狭窄问题[57]。因此，使用生物相容性更高的聚合物将是药物洗脱介入支架安全性得到改善的重要一步。

覆膜及涂层支架的特点及适用场合见表2。

表2 覆膜及涂层支架的特点及适用场合

2.3 生物可降解支架

金属永久性支架和药物洗脱支架对治疗血管疾病有一定积极作用，但永久性支架长期置于狭窄血管中，且与血管之间存在生物不相容性，易导致血管收缩功能受损、病变重现等问题。且血管支架作为支撑装置，在血管扩张完成后无需长期存在体内[58]。因此，生物可降解支架开始受到广泛关注，并已成为目前血管支架领域的研究重点[59]。生物可降解支架在提供支撑作用后被生物降解，可避免晚期血栓、炎症等问题[60-61]。支架降解过程如图4 所示[62]。

图4 支架降解过程[62]

生物可降解支架根据主体材料分为可降解金属支架和可降解聚合物支架[63]。

2.3.1 可降解金属支架

可降解金属支架主体材料主要包括镁合金、铁合金、锌合金。镁及其合金最早用于人体可降解金属支架研究，植入血管4～6 周后一般可完全降解，且降解速率快可降低支架内产生血栓的风险[64]。Shi 等[65]利用可降解镁合金支架的弯曲性能设计了6 种不同连接筋结构支架，讨论了支架桥结构参数对支架柔韧性的影响，从理论上分析了弯曲状态支架内突起的机理及影响，得出了支架弹性数学关系式，可帮助优化现有支架结构设计。Menze 等[66]为降低镁合金的降解速率，延长支架支撑时间，设计开发了Resoloy 镁合金支架，涂刷氟化物钝化层和左旋聚乳酸涂层，并在体外猪冠状动脉动物模型中进行了实验研究，验证了其有效性。

铁合金具有良好的生物相容性，且与血管壁无炎症反应，对降低再狭窄率有积极作用，但其降解速率慢，易导致降解产物堆积在血管内部[67]。Schinhammer等[68]为提高铁合金降解速率，设计并制备了Fe-Mn-Pd 合金，实验证明该合金力学性能可达到生物可降解支架的速率要求。

相比于镁和铁，锌合金是降解速率更合适的可降解金属[69]。Zhou 等[70]制作了一种新型生物可降解的Zn-0.8Cu 冠状动脉支架，并将Zn-0.8Cu 支架植入动物体内进行了为期2 年的跟踪观察，发现该支架具有足够的力学性能、合适的降解速率，同时具有良好的生物相容性。

生物可降解金属支架的机械强度较高，在支架置入血管后表现出强大的支撑能力，可在血管介入手术中发挥积极的作用。此外，生物可降解金属支架所降解的化学产物会不断刺激宿主做出反应，可帮助身体完成自我修复，直到可降解金属完全降解[71]。

2.3.2 可降解聚合物支架

可降解聚合物支架最常用的聚合物包括聚乳酸（polylactic acid，PLA）、左旋聚乳酸（poly-l-lactic acid，PLLA）、聚羟基乙酸（poly-glycolic acid，PGA）和聚己内酯（polycaprolactone，PCL）等。

由于可降解聚合物自身径向强度不足，相比金属支架难以满足医学要求，为保证疗效，通常需增加二次干预或重叠支架，使其广泛应用及发展受到限制[72]。因此，如何改善可降解聚合物支架的力学性能成为生物可降解聚合物支架面临的关键问题[73]。

国内外学者采用改变支架壁厚与结构、与金属混编、改变制作方式等方法来增强可降解聚合物支架的力学性能。赵丹阳等[74]为提高聚合物支架的径向支撑能力，减小支架筋宽和厚度，采用Kriging 代理模型和有限元方法相结合优化支架结构，研究结果表明该优化支架综合性能有明显提升。Feng 等[75]设计了一种新型滑动锁紧结构的生物可降解聚对二氧环己酮（poly-p-dioxanone，PPDO）支架，并观察支架植入动物体内后的结果，证实支架植入6 个月时可大部分被降解，且炎症反应随降解过程逐渐减少，证明该支架具有良好的机械强度及降解性能。魏云波等[15]分析了3 种可降解聚合物支架的结构及连接形式对其径向支撑强度、径向回缩率、轴向短缩率与弯曲强度的影响规律，结果表明采用不等高支撑环可有效改善径向支撑强度和径向回缩率，如图5（a）所示；采用具有弯曲结构的桥筋且桥筋连接位置位于支撑单元直线段中间处可避免轴向短缩；采用开放式连接的支架弯曲刚度更小。张慧媛等[76]设计并制备了FPS 型、tFPS 型和hFPS 型3 种可降解金属铁与PPDO 混合编织支架，其中FPS 型为由2 根铁丝与30 根PPDO 单丝组成的规则编织支架，tFPS 型为由2 根铁丝与30 根PPDO 单丝以及1 根PPDO 单丝（轴向）组成的三向编织支架，hFPS 型为由2 根铁/PCL 编织包覆纱与30 根PPDO 单丝组成的规则编织支架，如图5（b）所示。可降解铁丝在不增加支架厚度的基础上，有效提高了支架的支撑性能。编织结构参数对支架压缩性能、弯曲性能、降解特性的影响规律，可为编织型可降解支架的设计及性能优化提供参考。贾李涵等[77]则采用3D 打印纳米纤维/聚乳酸复合材料的方法来增强聚乳酸支架的力学性能，可有效提升支架的径向支撑力和纵向柔顺性能，如图5（c）所示。

图5 增强可降解聚合物支架的力学性能方式

可降解聚合物支架具有优良的降解特性与生物相容性，降解产物简单，因此可降解聚合物支架的临床应用几乎遍及人体所有部位，如神经修复、血管修复设备和支架，骨和软骨修复的骨科支架以及输尿管支架等[78]。

相比于永久性支架，可降解支架可以在术后半年至1 年内完全降解，可有效降低术后再狭窄发生的风险。可降解聚合物支架大多已进入临床试验或临床前试验阶段。早期临床试验结果证实[79-80]，可降解聚合物支架均能有效改善血管内再狭窄与血栓形成的现象，但其功能的长期有效性还需要进一步研究。

生物可降解支架的特点及适用场合见表3。

表3 生物可降解支架的特点及适用场合

3 结语与展望

当前的血管支架在力学性能、生物相容性、柔顺性、疲劳性等方面仍有待提高，治疗效果及植入术后的远期结果也需进一步完善。

尽管金属永久性支架为经皮冠状动脉介入治疗开创了里程碑，然而平滑肌细胞增生和晚期血栓形成致使金属永久性支架的临床应用逐渐受到限制。

相比金属永久性支架，药物涂层支架在应对支架内再狭窄及支架内血栓发生等不良结果方面表现效果及适用性更好。但对于药物洗脱支架，其在药物的加载即如何在最小负荷载药量前提下达到药效，维持长期均衡释药，尽可能减少不良后果等方面仍然需要进一步深入研究。此外，如何开创更多的药物组合，能够使药物涂层支架实现多功效任务，亦是其今后发展的挑战之一。

生物可降解支架存在降解过快导致力学性能丧失以及降解产物局部堆积等问题，使得可降解支架力学性能难以满足临床实际需求。此外，生物可降解支架在同时满足可降解效果、力学性能与生物相容性平衡方面还有待研究。由于缺乏长期临床数据，甚至部分数据表明生物可降解支架治疗效果不佳，因此现阶段治疗心脑血管疾病多采用药物洗脱支架。因此，生物可降解支架广泛投入临床应用仍有较多问题亟待解决。

理想的支架应能在植入早期提供足够支撑力，晚期不引发炎症及再狭窄等问题。尽管生物可降解支架在力学性能方面还存在不足，但由于其对人体没有明显副作用，仍具有较大的发展潜力。因此，进一步开展生物可降解支架关键技术的研究，可进一步促进血管介入支架手术的发展，为冠状动脉血管介入手术的临床干预、疗效分析提供更多指导：（1）在创新设计方面，随着智能制造技术与先进材料技术的发展，可根据患者病症，利用3D 打印技术及先进功能材料，生产个性化、力学性能强的生物可降解支架。（2）在性能方面，可通过将材料的可降解与形状记忆相结合，使其不仅生物相容性良好，同时可减少聚合物在血管内发生形变。（3）在制造方面，探索新的制造工艺，降低制造成本，在保证足够支撑力的条件下提升支架制造精度。