生物可降解大血管氮化铁支架的研制和动物实验

发布时间：2017-04-02 18:15

  本文关键词：生物可降解大血管氮化铁支架的研制和动物实验，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：第一部分生物可降解大血管氮化铁支架的研制先天性血管狭窄性疾病是婴幼儿期常见的先天性血管畸形,包括主动脉缩窄和肺动脉狭窄。主动脉缩窄患者预后不良,一些合并先天性心血管畸形的患儿在婴幼儿期即发生死亡,单纯主动脉缩窄患者的平均自然寿命也仅有40岁。肺动脉狭窄主要病因为胚胎期发育障碍,患者往往在早期即出现肺动脉高压、右心衰竭等临床表现,预后不佳。主动脉缩窄和肺动脉狭窄的治疗一直是临床的工作难点和研究的热点。由于先天性血管狭窄性疾病的发生不可预防,目前的治疗方法都是发现疾病后的干预,主要有外科手术,经皮球囊成形术和支架植入术。以往外科手术一直是该类疾病有效的治疗方法,但由于外科手术创伤大、风险高、术后留有瘢痕及术中、术后死亡率高而受到限制,而分支肺动脉的狭窄更是外科手术治疗的“禁区”。随后出现的经皮球囊成形术和支架植入术是一种相对安全的介入治疗方法,具有创伤小,不遗留瘢痕,住院时间短等优点。许多研究证实,支架植入术较球囊成形术更能明显减少术后再狭窄的发生[3-6]。但对于婴幼儿,机体的生长发育会造成支架段血管的相对狭窄,此外还面临着支架内再狭窄、需反复扩张及致栓性等诸多问题。因此,如何研制一种支架在植入后能够提供足够的支撑力以扩张狭窄的血管,同时在完成扩张目标后在一定时间内降解,不会给血管发育带来影响,成为目前支架研究领域的热点问题,金属生物可降解大血管支架因其良好的机械力学性能和独特的可降解特性有望成为解决这一难题的最佳选择。尽管如此,国内外关于生物可降解支架研究也主要集中在纯铁支架和冠状动脉应用领域,目前有关生物可降解支架在大血管领域的研究资料和报道仍然很少,为此我们在国内率先开展先天性血管狭窄性疾病生物可降解大血管氮化铁支架的研制。有研究证明,在猪的冠状动脉内置入可降解铁支架后,局部组织炎症反应轻,同时血管内膜无明显增生,显示出良好的组织相容性。还有体外细胞培养实验研究表明铁可抑制人血管平滑肌细胞的增殖,这就使解决支架内再狭窄问题成为可能。随着研究的深入,研究发现纯铁支架支撑力欠佳且降解周期过长,这在一定程度上制约了其应用。因此,现有研究均聚焦在如何减少纯铁耐腐蚀性上,包括注入镧、锰等离子,形成氧化铁系膜和钛/氮化钛的多层涂层等技术均可有效减少纯铁的耐腐蚀性,但均未能达到理想的效果。材料学研究表明真空等离子氮化技术可以通过固溶强化和弥散强化加强材料的力学性能,同时氮化后形成的第二相氮化铁粒子可以通过电偶腐蚀提高材料的腐蚀速率,故本研究首次尝试通过真空等离子渗氮法处理大血管纯铁支架,制备生物可降解大血管氮化铁支架,并对其理化性能及血液相容性进行评价。目的研制生物可降解大血管氮化铁支架,并通过体外实验测试生物可降解大血管氮化铁支架的机械性能、腐蚀速率及血液相容性,探讨自主研发生物可降解大血管支架的可行性。方法以纯铁管为原材料,通过对纯铁管材反复拉拔、激光雕刻、去油、酸洗、电化学抛光、钝化工序及氮化处理,制备生物可降解大血管氮化铁支架.通过体外实验,测试自制生物可降解大血管氮化铁支架的拉伸强度,径向强度及硬度三项机械性能的主要指标,并与大血管纯铁支架、316L大血管不锈钢支架进行比较,分析可降解大血管氮化铁支架提供有效血管支撑的力学性能可行性,同时检测生物可降解大血管氮化铁支架体外电化学腐蚀速率,并与大血管纯铁支架比较,分析其体外降解性能,讨论可降解大血管氮化铁支架体内降解可行性。同时,通过体外血小板粘附性测试、溶血率测试、凝血酶原时间及活化部分凝血活酶时间测定,评价其血液相容性。结果经过一系列工序成功制备出大血管纯铁支架,通过自主研发的真空氮化炉,实现大血管纯铁支架氮化,成功制备生物可降解大血管氮化铁支架。1生物可降解大血管氮化铁支架体外力学性能测试和电化学腐蚀速率测试生物可降解大血管氮化铁支架拉伸强度,径向强度及硬度优于大血管纯铁支架,生物可降解大血管氮化铁支架拉伸强度(MPa)：603.28±16.26,径向强度(kPa)：93.62±5.44,硬度(kN/m)：55.82±1.87,大血管纯铁支架：拉伸强度(MPa)：337.76±3.17,径向强度(kPa)：57.51±4.44,硬度(kN/m)：35.13±3.90,两者机械性能相比P0.05,有显著差异。大血管316L不锈钢支架：拉伸强度(MPa)：614.37±6.82,径向强度(kPa)：96.55±7.75,硬度(kN/m)：58.59±3.93。与大血管氮化铁支架相比二者机械性能,P0.05,无显著差异。氮化铁支架其体外电化学腐蚀速率较纯铁支架增快(Vcorr (mm year-1):氮化铁支架0.191±0.018 vs纯铁支架0.100±0.035,P0.05)。2生物可降解大血管氮化铁支架体外血液相容性测试血液相容性测试表明与不锈钢支架相比,氮化铁支架对血小板无明显粘附和激活。扫描电镜2000倍视野观察,氮化铁支架血小板粘附数量(个)30min: 35±6,60min:83±14,不锈钢支架血小板粘附数量(个)30min:40±10,60min:79±15,两者相比P0.05。氮化铁支架溶血率3.1%。氮化铁支架凝血酶原时间(s)：13.53±0.45,活化部分凝血活酶时间(s)33.37±0.64,不锈钢支架凝血酶原时间(s)：12.65±0.79,活化部分凝血活酶时间(s)30.43±1.56。氮化铁支架与不锈钢支架凝血酶原时间与活化部分凝血活酶时间无明显差异,P0.05。结论自主研制的生物可降解大血管氮化铁支架可提供较大血管纯铁支架更为充分的机械支撑力,不亚于应用成熟的大血管316L不锈钢支架。体外降解速率明显优于大血管纯铁支架,其致栓性低,溶血率低,不激活外源性凝血系统,血液相容性良好。体外理化实验充分证实自主研制的生物可降解大血管氮化铁支架达到设计要求,满足进一步进行动物实验条件。第二部分生物可降解大血管氮化铁支架在猪髂动脉模型的实验研究现有研究表明,制约先天性血管狭窄性疾病支架植入治疗最重要的因素有两点：一是支架植入后由于血管生长发育造成的相对狭窄,另外由于支架植入后需永久携带对血管刺激,引起血管内膜增生和血管平滑肌增殖造成的绝对狭窄。由于生物可降解支架在达成解除血管狭窄目的后可完全降解,在兼顾永久支架优点的同时,摒弃了其永久携带引起的一系列问题,故目前学界普遍认为生物可降解大血管支架的研制将给先天性血管狭窄性疾病的患者带来了新的希望。生物可降解支架可在完成其防止血管弹性回缩作用过程中逐渐降解吸收,避免对血管舒缩功能和血管的生长产生不利影响。目前用于可降解支架的金属支架材料主要是镁、镁基合金和铁、铁基合金。镁合金力学性能差于不锈钢和钴铬合金,且分解吸收较快,使得支架在术后过早失去支撑功能,血管弹性回缩造成再狭窄。铁的金属支撑力强于镁,能有效预防血管弹性回缩,并能在血管重构后降解。有研究证明,在猪的冠状动脉内置入可降解铁支架后,局部组织炎症反应轻,同时血管内膜无明显增生,显示出良好的组织相容性。还有体外细胞培养实验研究表明铁可抑制人血管平滑肌细胞的增殖,这就使解决支架内再狭窄问题成为可能。随着研究的深入,研究发现纯铁支架降解周期过长,这在一定程度上制约了其应用。因此,现有研究均聚焦在如何减少纯铁耐腐蚀性上。前期体外研究显示,真空等离子氮化技术可以很好的提高了纯铁支架的拉伸强度,径向强度和硬度。此外,明显增加了支架的体外腐蚀速率。体外实验还证实了氮化铁支架血液相容性良好。但目前国内未见关于生物可降解大血管氮化铁支架动物体内研究报道,同时由于生物可降解支架在体内降解尚无成熟的评价系统,本文尝试通过计算机图像分析系统分析支架厚度和降解产物的表面积覆盖率,探索评价生物可降解大血管支架在体内降解过程的方法,并首次通过自身配对设计,与目前应用成熟的大血管不锈钢支架对比生物可降解大血管氮化铁支架体内力学性能及组织相容性。目的本研究在健康小型幼猪髂动脉模型体内观察可降解大血管氮化铁支架降解情况,研究其组织相容性和对新生内膜增生的影响,并与316L不锈钢支架进行对比。初步探索生物可降解氮化铁支架体内降解性能及生物安全性。为生物可降解大血管氮化铁支架进一步开展临床研究提供依据。方法健康小型幼猪20头,雌雄不限,随机并平均分成4组,每组5头,分别于左髂总动脉植入1枚氮化铁支架,右髂总动脉植入1枚不锈钢支架。4组小型猪共植入20枚氮化铁支架和20枚不锈钢支架。分别在术后1个月,6个月,12个月和24个月行髂动脉造影,术后处死动物,分离支架段血管进行病理处理。分别于术前和各观察期结束前测定血浆铁浓度。分别对大血管氮化铁支架和大血管不锈钢支架植入血管病理图像进行计算机图像分析,分析支杆厚度和降解产物的表面积,评价支架降解性能,估测支架降解时间。分析比较两种支架植入后血管的血清铁浓度、新生内膜厚度、管腔直径及炎症评分。结果所有的实验支架均成功植入幼猪髂总动脉内,手术成功率为100%,所有实验猪饮食、活动正常,存活良好,无铁中毒表现。术后随访1个月,血管内皮完全覆盖了支架内壁,支架形态完整,扩张完全。支架植入后6个月,可以观察到氮化铁支架表面开始降解,支架形态完整,无管腔狭窄。支架植入12个月后,氮化铁支架部分发生了降解,支架形态不完整。支架植入24个月后,氮化铁支架仅剩余部分残留,支架植入段血管管腔两端有轻度狭窄。各观察期结束前髂动脉造影显示支架段血管通畅,未见明显狭窄,未见支架移位,未见边缘效应、血栓、溃疡及动脉瘤等表现。各观察期结束后检查支架片段时,未发现血管外膜出血,动脉瘤或其他异常情况。1大血管氮化铁支架体内降解情况不同时间观察期结束后,大血管氮化铁支架支杆(μm)厚度逐渐变薄：1个月116.83±8.61,6个月101.63±11.81,12个月86.87±8.42,24个月41.24±6.48,降解产物表面积(μm2)逐渐增多：1个月 32308.68±238.14,6个月109948.66±519.42,12个月159563.12±688.13,24个月318453.99±577.52,各观察期有显著差异,P0.05。计算支架不同时间段剩余支杆厚度,进行直线回归分析,估测支架完全降解所需要的时间为1118.35天。2大血管氮化铁支架组织相容性不同时间观察期结束后,氮化铁支架新生内膜厚度(mm)：1个月0.13±0.02,6个月0.43±0.02,12个月0.45±0.03,24个月0.48±0.10,不锈钢支架组新生内膜厚度(mm)：1个月0.15±0.04,6个月0.51±0.02,12个月0.53±0.10,24个月0.57±0.13,各观察期两组支架数据比较无显著差异,P0.05。两组支架在炎症评分上无显著差异,P0.05。氮化铁支架组管腔直径(mm)：1个月7.82±0.25,6个月7.444±0.50,12个月7.35±0.38,24个月7.30±0.38,不锈钢支架组管腔直径(mm)：1个月7.86±0.25,6个月7.35±0.17,12个月7.044±0.19,24个月6.67±0.03,各观察期两组支架数据比较无显著差异,P0.05。各观察期血清铁浓度(mg/L)：术前1.31±0.37,1个月1.32±0.10,6个月1.34±0.12,12个月1.43±0.19,24个月1.39±0.16,组间比较无显著差异,P0.05。结论生物可降解大血管氮化铁支架体内植入成功率高,降解性能良好。与大血管不锈钢支架相比,其组织相容性无明显差异,氮化铁支架在体内降解过程中产生的铁离子并未对体内血浆铁离子浓度产生影响。研究结果初步提示生物可降解氮化铁支架安全可行,值得进一步开展临床研究。
【关键词】：生物可降解大血管氮化铁支架 研制 体外实验 机械性能 腐蚀速率 血液相容性 生物可降解大血管氮化铁支架 先天性血管狭窄性疾病 动物实验 降解性能 组织相容性
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.08
【目录】：

• 摘要3-11
• 参考文献9-11
• ABSTRACT11-20
• 第一部分 生物可降解大血管氮化铁支架的研制20-52
• 1.1 前言20-21
• 1.2 目的21
• 1.3 材料与方法21-33
• 1.4 实验结果33-39
• 1.5 讨论39-48
• 1.6 结论48
• 参考文献48-52
• 第二部分 生物可降解大血管氮化铁支架在猪髂动脉模型的实验研究52-82
• 2.1 前言52-53
• 2.2 目的53
• 2.3 材料与方法53-63
• 2.4 实验结果63-72
• 2.5 讨论72-78
• 2.6 结论78
• 参考文献78-82
• 综述82-96
• 参考文献90-96
• 缩略词表96-97
• 攻读博士学位期间成果97-98
• 致谢98-100
• 统计学证明100

  本文关键词：生物可降解大血管氮化铁支架的研制和动物实验，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：282947