基于3D 打印技術(shù)的個性化主動脈覆膜支架的動物實(shí)驗(yàn)研究

黃樹杰，龍安妮，王遷，胡暢，徐廣陽，劉思博，劉晶哲，李雷，唐鋒

目前主動脈腔內(nèi)修復(fù)術(shù)已獲得廣泛推廣并成為治療降主動脈擴(kuò)張性疾病的有效手段[1-2]。然而，目前臨床上使用的支架普遍對血管的幾何順應(yīng)性較差，導(dǎo)致部分治療病例存在內(nèi)漏[3-4]或者支架源性新發(fā)破口等并發(fā)癥[5-6]。為此，本研究擬應(yīng)用3D 打印技術(shù)成型個性化主動脈覆膜支架并利用改良的支架輸送系統(tǒng)完成胸降主動脈腔內(nèi)血管重建，以此驗(yàn)證3D 打印技術(shù)制造個性化主動脈覆膜支架結(jié)合改良的輸送系統(tǒng)治療主動脈擴(kuò)張性疾病的可行性。

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)對象和分組：我們于2018年1月至2019年3月選擇6只50kg左右實(shí)驗(yàn)用豬（北京科興實(shí)驗(yàn)動物養(yǎng)殖中心提供）,隨機(jī)分為兩組：個性化支架組（n=3）和標(biāo)準(zhǔn)化支架組（n=3）。個性化支架組置入個性化主動脈覆膜支架（個性化支架）3 枚，標(biāo)準(zhǔn)化支架組置入標(biāo)準(zhǔn)化直筒型主動脈覆膜支架（標(biāo)準(zhǔn)化支架）3 枚，兩組支架均通過3D 打印技術(shù)制作。

覆膜支架的制作：利用實(shí)驗(yàn)豬的降主動脈CT 血管造影圖像設(shè)計個性化支架的形狀及直徑（平均直徑的120%作為支架外徑），完成參數(shù)調(diào)整，并以此參數(shù)控制打印噴頭的方向及打印厚度，然后利用3D 打印技術(shù)中的熔融沉積技術(shù)成型主動脈水溶性犧牲內(nèi)芯（以上稱為3D 打印可控沉積技術(shù)）。內(nèi)芯表面再逐層涂覆聚醚型聚氨酯，外層編制鎳鈦合金骨架后再次逐層涂覆聚醚型聚氨酯，溶解水溶性內(nèi)芯獲得個性化支架（圖1A）。標(biāo)準(zhǔn)化支架以平均直徑的120%為支架外徑采取相同方式制作成型（圖1B）。

改良的支架輸送系統(tǒng)：將如上覆膜支架套入輸送器，使用包裹膜將覆膜支架包裹并捆綁，將釋放控制線引出輸送器尾端。在覆膜支架頭端縫合一枚可顯影限位環(huán)并穿限位導(dǎo)絲固定于覆膜支架大彎側(cè)（圖1C、1D）。將組裝好的覆膜支架進(jìn)行消毒包裝備用。

圖1 主動脈覆膜支架、改良輸送系統(tǒng)、術(shù)后復(fù)查造影及病理結(jié)果

支架置入及術(shù)后評估方法：經(jīng)左側(cè)鎖骨下動脈穿刺置入5F 微穿刺鞘；正中開腹游離腹主動脈置入8F 動脈鞘，造影確認(rèn)主動脈及其分支位置。腹主動脈交換為22F 導(dǎo)鞘，自左側(cè)鎖骨下動脈鞘內(nèi)置入網(wǎng)籃導(dǎo)絲捕獲覆膜支架輸送系統(tǒng)限位釋放導(dǎo)絲并引出。Lunderquist 導(dǎo)絲導(dǎo)引覆膜支架輸送系統(tǒng)至降主動脈，同時提拉限位導(dǎo)絲至覆膜支架限位環(huán)位于降主動脈大彎側(cè)（圖1D），釋放覆膜支架。再次造影確認(rèn)覆膜支架貼壁情況，若發(fā)現(xiàn)內(nèi)漏則應(yīng)用Coda 球囊進(jìn)行支架內(nèi)擴(kuò)張成形。置入前后采集主動脈各位置動態(tài)血壓。術(shù)后1 個月經(jīng)股動脈穿刺行數(shù)字化減影血管造影術(shù)了解覆膜支架在位情況及貼壁情況，解剖豬主動脈觀察支架與主動脈內(nèi)膜關(guān)系并留取主動脈管壁做病理分析。

統(tǒng)計學(xué)方法：應(yīng)用SPSS 25.0 統(tǒng)計軟件分析。計量數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）的方式表示，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

支架置入結(jié)果：所有覆膜支架均成功置入，術(shù)后造影顯示定位良好。個性化支架組無內(nèi)漏發(fā)生；標(biāo)準(zhǔn)化支架組發(fā)生1 只實(shí)驗(yàn)豬大彎側(cè)I 型內(nèi)漏，術(shù)中應(yīng)用Coda 球囊成形后仍有少量內(nèi)漏。

術(shù)前、術(shù)后主動脈動態(tài)血壓的測量結(jié)果：主動脈內(nèi)由近心端至遠(yuǎn)心端五個位置（主動脈弓左鎖骨下動脈開口近端、覆膜支架起始部、覆膜支架中部、覆膜支架下部及覆膜支架下方降主動脈）測量血壓。個性化支架組術(shù)前及術(shù)后收縮壓與標(biāo)準(zhǔn)化支架組比較，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P均＞0.05，表1）。兩組實(shí)驗(yàn)豬術(shù)前、術(shù)后收縮壓測量散點(diǎn)圖見圖2、圖3。

表1 兩組實(shí)驗(yàn)豬術(shù)前、術(shù)后主動脈各位置收縮壓測量結(jié)果（±s）

注：1 mmHg=0.133 kPa

圖2 兩組實(shí)驗(yàn)豬術(shù)前收縮壓測量散點(diǎn)圖

圖3 兩組實(shí)驗(yàn)豬術(shù)后收縮壓測量散點(diǎn)圖

術(shù)后1 個月經(jīng)股動脈穿刺造影結(jié)果（圖1E、1F）。解剖豬主動脈取出支架時未見管腔血栓形成，標(biāo)準(zhǔn)化支架組存在I 型內(nèi)漏的1 只實(shí)驗(yàn)豬見支架與大彎側(cè)主動脈壁未完全貼合。

病理分析結(jié)果：留取主動脈管壁做病理分析，病理結(jié)果顯示個性化支架組置入術(shù)后主動脈未見明顯血栓及內(nèi)膜損傷；標(biāo)準(zhǔn)化支架組中2 只實(shí)驗(yàn)豬標(biāo)準(zhǔn)化支架置入術(shù)后主動脈未見明顯血栓及內(nèi)膜損傷，存在I 型內(nèi)漏的1 只實(shí)驗(yàn)豬主動脈內(nèi)膜表面可見薄層血栓形成，未見明顯內(nèi)膜損傷（圖1G、1H）。

3 討論

主動脈擴(kuò)張性疾病包括主動脈瘤和主動脈夾層，長期以來都被認(rèn)為是嚴(yán)重的致死性疾病，已知的患者院內(nèi)死亡高危因素包括性別、年齡、高血壓等，另有研究表明血清高密度脂蛋白膽固醇水平與主動脈夾層患者院內(nèi)死亡呈負(fù)相關(guān)[7]。開放手術(shù)仍是Stanford A 型主動脈夾層的重要治療方式，其手術(shù)方式也在不斷更新[8]。然而對于降主動脈瘤以及Stanford B 型主動脈夾層，主動脈腔內(nèi)修復(fù)術(shù)已成為開放手術(shù)的有效替代治療方式。

主動脈腔內(nèi)修復(fù)術(shù)的成功實(shí)施主要取決于覆膜支架系統(tǒng)的安全性及有效性。現(xiàn)有覆膜支架系統(tǒng)集中的問題是對血管走行的幾何順應(yīng)性較差，不能有效滿足個體病變的特征，導(dǎo)致部分受治個體貼壁不良而出現(xiàn)內(nèi)漏[3-4]以及支架源性新發(fā)破口[5-6]。其發(fā)生的主要原因?yàn)楦材ぶЪ苄螤钆c直徑對靶血管的形狀與直徑不契合而導(dǎo)致貼壁不良（內(nèi)漏發(fā)生），并與支架位移的關(guān)系密切。非匹配支架的彈性回直力（支架被置于彎曲的主動脈時恢復(fù)本身直行狀態(tài)的傾向）及徑向支撐力（支架恢復(fù)本身最大直徑的力）則在支架源性新發(fā)破口形成中起著決定性作用。因此，解決這兩個問題的關(guān)鍵在于制造出符合血管走形并且直徑合適的主動脈覆膜支架。

3D 打印技術(shù)針對主動脈疾病已經(jīng)成功地進(jìn)行模型打印，獲得了更為全面和直觀的解剖信息[9]。目前，3D 打印技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[10]。這項技術(shù)在個性化醫(yī)學(xué)時代具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前在血管領(lǐng)域更多僅限于制作解剖模型以供手術(shù)計劃、教育、訓(xùn)練及組織工程學(xué)[11-12]。2014 年，Amerini 等[13]利用CT 資料獲得了豬的右心腔三維重建模型，在此基礎(chǔ)上利用3D 打印技術(shù)生產(chǎn)出壓縮鎳鈦諾支架，并在動物實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了個性化一體支架治療三尖瓣反流的可行性。本研究通過3D 打印及可控沉積技術(shù)設(shè)計制作個性化支架，3D 打印的優(yōu)勢在于覆膜與支架的一體化塑形和融合，并獲得了對彎曲血管幾何的順應(yīng)特性；可控沉積技術(shù)可輔助控制3D 打印噴頭的方向及打印厚度，以更高效和精確的制作個性化支架模型。

本研究有限的動物試驗(yàn)結(jié)果顯示，個性化支架有效貼覆于主動脈內(nèi)壁，未見明顯內(nèi)漏及內(nèi)膜損害，而標(biāo)準(zhǔn)化覆膜支架組1 只實(shí)驗(yàn)豬發(fā)生了不可糾正的I型內(nèi)漏，且內(nèi)漏位于大彎側(cè)，考慮因標(biāo)準(zhǔn)化支架與彎曲的降主動脈大彎側(cè)貼覆不良導(dǎo)致，提示了個性化支架對彎曲血管的貼覆性能可能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)化支架。

另外，為明確個性化支架對靶血管的血流動力學(xué)是否產(chǎn)生影響，我們對置入術(shù)后降主動脈以及覆膜支架內(nèi)各部位進(jìn)行了動態(tài)血壓測量，與標(biāo)準(zhǔn)化支架對比，各部位血壓無明顯差異，表明個性化支架能較好貼覆主動脈管壁，而未造成主動脈縮窄或扭折。

為保證個性化支架能順應(yīng)主動脈的幾何特征，需要相應(yīng)的精準(zhǔn)釋放系統(tǒng)從而將覆膜支架釋放在主動脈的確切部位，以保證其釋放時支架彎曲方向與主動脈相同。因此，我們在現(xiàn)有捆綁式支架釋放系統(tǒng)上進(jìn)行改良，于支架頂端固定可顯影限位環(huán)，結(jié)合大彎側(cè)限位釋放導(dǎo)絲，確保覆膜支架于冠狀面、矢狀面均契合降主動脈幾何結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該定位技術(shù)可行并且安全，實(shí)現(xiàn)了個性化支架的彎曲方向與降主動脈方向一致。

豬的主動脈與人體正常主動脈解剖相似，因此是理想的覆膜支架置入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚14]。由于目前并沒有成熟的主動脈瘤或夾層動物模型的制作方法可以借鑒，并且驗(yàn)證覆膜支架及相匹配的輸送系統(tǒng)的可行性只需模擬臨床支架釋放過程，真實(shí)在實(shí)驗(yàn)動物體內(nèi)置入支架足以達(dá)到目的，因此我們并沒有對實(shí)驗(yàn)豬主動脈進(jìn)行疾病模型處理。

本研究旨在驗(yàn)證3D 打印技術(shù)制作個性化主動脈覆膜支架結(jié)合改良的輸送系統(tǒng)的可行性，因此入組動物數(shù)量較少，結(jié)果證明該設(shè)計支架及輸送系統(tǒng)系統(tǒng)治療降主動脈擴(kuò)張性疾病腔內(nèi)治療技術(shù)上可行。但因?qū)嶒?yàn)動物數(shù)量過少以及隨訪時間較短，未能更好地驗(yàn)證個性化覆膜支架的有效性及安全性，我們將在以后的研究中擴(kuò)大樣本量并延長隨訪時間。