新型單面刻槽藥物洗脫支架的制備與研究

堯婉辰，孫懷遠，張劼,金文濤1，

1.上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院(上海,200093) 2.上海健康醫(yī)學院 醫(yī)療器械學院(上海,201318) 3.上海微創(chuàng)醫(yī)療器械有限公司(上海,201203)

0 引 言

腦卒中是造成我國居民死亡的首要原因，研究表明支架植入是解決顱內(nèi)動脈狹窄，降低腦卒中的有效手段。動脈粥樣硬化性顱內(nèi)動脈狹窄是引發(fā)缺血性腦卒中的一個重要原因[1]，顱內(nèi)動脈閉塞引起的急性缺血性腦卒中常伴有嚴重的殘疾或死亡，Jovin[2]等對25位患者進行了經(jīng)頸動脈支架置換術，23位患者取得成功，因此越來越多的人采用支架植入術來預防卒中復發(fā)，支架植入也被證明具有很高的安全性和可靠性[3]，相比于藥物治療能夠更有效地改善動脈狹窄[4]。

傳統(tǒng)的支架制備工藝有浸涂、電鍍和噴涂法等，本研究采用壓電微噴射技術對支架進行藥物噴涂，其優(yōu)點可以實現(xiàn)定點定位精準噴涂，降低成本節(jié)省用藥量[5]。聚乳酸(Polylactic Acid，PLA)因其良好的生物相容性和可降解性的特點[6]，廣泛應用于藥物支架的緩釋涂層。雷帕霉素(Rapamycin，RM)作為一種新型免疫抑制劑，具有免疫抑制和抗菌增值的雙重作用，不僅可以與特定的細胞質(zhì)蛋白結(jié)合，防止細胞增值，還能抑制支架內(nèi)再狹窄的發(fā)生[7-8]。

根據(jù)支架結(jié)構和材質(zhì)可將血管內(nèi)支架分為金屬支架、聚合物支架和藥物涂層支架[9]，本文研究的是藥物涂層支架，對單面刻槽的鎳鈦合金支架進行以PLA為載藥物的雷帕霉素藥物噴涂。該支架的主要特點是僅在支架的血管壁一側(cè)有涂層，將藥物填充于凹槽內(nèi)，使藥物釋放直接進入血管壁，減少了藥物劑量，提高了藥物利用率，降低了再狹窄，靶向作用于血管壁。實驗表明，單面刻槽藥物洗脫支架具有廣闊的應用前景。

1 實驗

1.1 實驗材料

本文所用的主要試劑和儀器如下：聚乳酸，美國DURECT公司；雷帕霉素，海正藥業(yè)(杭州)有限公司；丙酮及其他試劑均為分析純；鎳鈦合金凹槽支架，自制，國藥集團化學試劑有限公司；球囊，自制；MLA650F掃描電子顯微鏡，美國FEI掃描電子顯微鏡有限公司；臺式恒溫振蕩器，上海精宏實驗設備有限公司。

1.2 實驗方法

實驗中主要采用壓電微噴技術對單面刻槽鎳鈦合金支架進行噴涂。微噴射技術根據(jù)噴墨方式可以分為壓電式、氣壓式、熱泡式、機械式等。本文采用收縮管型壓電式噴頭。壓電式微噴式打印系統(tǒng)的工作原理為：首先對壓電陶瓷元件的電極兩端施加電壓，在脈沖電壓上升和保持的過程中擠壓玻璃管，使得壓電元件產(chǎn)生微弱的形變，振動板向壓力腔內(nèi)側(cè)彎曲，通過壓力腔中壓力的變化將噴嘴處的溶液擠壓出去。在電壓下降時，壓電元件膨脹，玻璃管的體積逐漸增大，下降過程中受表面張力、空氣阻力和慣性力的影響，逐漸匯聚成球滴，落在基板上[10]，形成一個完整的液滴，完成一個周期。因此壓電式噴射技術在液滴分配，頻率控制和體積控制及速度控制方面具有良好的性能，可以進行微量、精準、可控的液滴分配，滿足實驗要求。

噴射液滴的壓電噴頭，主要由毛細玻璃管、管腔、壓電陶瓷和噴嘴構成。當電壓作用于壓電驅(qū)動器時，逆壓電效應使其產(chǎn)生形變，從而在噴嘴處形成微量液滴。在微噴系統(tǒng)中，噴頭是最核心的內(nèi)容，本實驗采用的是美國MicroFab，MJ-AT-01型號的噴頭，噴頭直徑為30 μm，見圖1。

圖1 壓電噴頭結(jié)構Fig.1 Structure of piezoelectric nozzle

為了更好地滿足噴射打印需求，液滴由噴嘴擠出后最好能夠形成單分散液滴形態(tài)，即每個信號正弦波型噴出的液體只生成一個穩(wěn)定液滴。噴頭內(nèi)的液體在一個周期內(nèi)形成單個穩(wěn)定液滴的過程，見圖2。這些液滴都是圓柱形的，但在表面張力和空氣阻力的影響下，容易分離成一個主液滴和幾個較小的衛(wèi)星液滴，衛(wèi)星液滴容易在基體表面形成不規(guī)律的雜點，嚴重影響涂層質(zhì)量，因此避免衛(wèi)星液滴的產(chǎn)生是極其重要的。

圖2 穩(wěn)定液滴形成過程Fig.2 The formation process of stable droplets

1.3 單面刻槽藥物洗脫支架的制備

將激光切割加工后的支架進行熱處理、酸洗、拋光等處理后[11]，制得單面刻槽的鎳鈦合金支架。為了方便實驗，切割加工了多個支架以備用，實驗中用到的芯棒為磨砂玻璃芯棒，不會出現(xiàn)反光等現(xiàn)象，可以用來清楚觀察支架表面噴涂情況和支架凹槽情況。帶凹槽支架噴涂難度較大，其槽狹小又長，只有微米級別，因此凹槽的識別和捕捉是進行藥物噴涂至關重要的一步，此過程需要設計一個機器視覺系統(tǒng)。通過圖像攝取設備獲取單面刻槽支架的圖像，如圖3(a)所示，要求支架表面為亮區(qū)域，凹槽內(nèi)及芯棒表面為暗區(qū)域，再利用數(shù)模轉(zhuǎn)換的方式，將圖像的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)數(shù)字圖像中的像素分布、亮度及形狀等信息，進行運算來識別目標物，如圖3(b)所示，為方便觀察將識別出的凹槽用顏色標記出來。識別過程中可能會出現(xiàn)凹槽丟失的情況，需要進一步優(yōu)化源代碼。

為了使溶液盡可能噴涂在凹槽內(nèi)，不會成堆出現(xiàn)在降落點，灑在支架“肩膀”兩側(cè)或者溢出至槽側(cè)及底面等情況，實驗過程中采用單點多圈的噴涂方式，不僅可以增加噴射的穩(wěn)定性，還能保證溶液在槽內(nèi)的完全鋪展。

圖3 凹槽掃描和捕捉過程Fig.3 The process of scan and catch on the groove

精準識別鎳鈦合金支架表面凹槽后，對支架進行噴涂實驗，首先對系統(tǒng)參數(shù)進行調(diào)整，在視覺觀測系統(tǒng)的輔助下調(diào)整出穩(wěn)定液滴，其中微噴設備的工藝參數(shù)如電壓大小、電壓保持時間、曝光時間和頻率[12]等對藥物涂層噴涂的性能表征有著至關重要的影響，實驗過程中通過多次探究摸索調(diào)試出的最佳工藝參數(shù)如圖4所示，此參數(shù)下不會出現(xiàn)衛(wèi)星液滴以及灑在支架兩側(cè)的情況。

圖4 最佳工藝參數(shù)Fig.4 The most suitable technological parameters

1.4 球囊擴張實驗

球囊導管是支架植入術最常用的方法，導管由一根大約一米長的空心管組成，末端是一個可充氣的橡膠球囊，支架被放置在球囊上面并對球囊進行壓縮。當?shù)竭_目標位置時，將球囊充氣至最大壓力10 atm(1 atm=101325 Pa)，維持充氣30 s，如圖5(a)所示，球囊通過中空導管加壓膨脹，從而導致支架膨脹，然后橡膠球囊放氣，如圖5(b)所示，取出球囊導管，觀察支架變化。這種支架植入術要求支架具有靈活性，且擴張后不會斷裂。為了驗證所制備的藥物涂層與單面刻槽支架之間的結(jié)合力能否滿足藥物支架涂層的性能要求，在標準大氣壓下對所制備的藥物洗脫支架進行球囊擴張實驗，在掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察支架表面是否出現(xiàn)涂層脫落、翹起等現(xiàn)象，藥物洗脫支架涂層的表面形貌對支架的性能影響甚大，特別是在支架撐開的過程中藥物涂層的力學性能以及涂層與藥物支架基體之間的結(jié)合力是判斷藥物涂層能否作為洗脫涂層的重要指標。

圖5 球囊擴張實驗Fig.5 The experiment of balloon dilation

1.5 體外模擬釋放實驗

實驗中將已制備好的藥物涂層支架置入含有3 mL的PBS (pH=7.4)緩沖液的試管中，然后將試管置于37 ℃的恒溫水浴振蕩器中培養(yǎng)，震蕩頻率為72 r/min。一定時間后取出支架，在離心管內(nèi)加入6 mL乙腈溶液，進行離心后取上清液經(jīng)0.45 μm的濾膜過濾，然后進行紫外光譜測試，記錄數(shù)據(jù)并整理。每次試驗準備三組，藥物釋放量取平均值。

2 實驗結(jié)果

2.1 帶凹槽藥物洗脫支架的涂層形貌

在本實驗中，通過掃描電子顯微鏡證明涂層具有足夠的靈活性，可以使支架球囊膨脹而不開裂，在球囊擴張過程中，支架周圍聚合物的形狀和理化性能對維持涂層支架的結(jié)構完整性至關重要[13]。由圖可看出，在選取合適的工藝參數(shù)后藥物能夠完整平鋪在凹槽，不會出現(xiàn)圖6(a)灑在支架“肩膀”兩側(cè)或者溢出至槽側(cè)及底面的情況，且涂層質(zhì)量較好，平整光滑，如圖6(b)(c)所示。

球囊擴張的變形過程主要有支架在球囊上的壓握過程，支架在球囊上的充氣擴張過程和球囊撤出后支架受血管壁的周期性壓縮過程，因此藥物洗脫支架擴張過程的力學性能對支架植入有著重要的影響，郭景振[14]對傳統(tǒng)藥物洗脫支架和單面刻槽藥物洗脫支架的生物力學性能進行了有限元模擬，發(fā)現(xiàn)刻槽尺寸對擴張性能影響較小且靈活性更高。從圖6(d)800倍電鏡照片中可以看出球囊擴張之后的支架表面依舊完好無損，沒有出現(xiàn)涂層脫落及翹起等情況，可見該涂層在拉伸過程中具有良好的應力性能，能滿足作為藥物洗脫支架的力學性能要求，并且本研究所采用的噴涂工藝能實現(xiàn)在單面刻槽的藥物洗脫支架表面制備良好的涂層。

圖6 球囊擴張前后SEM涂層形貌Fig.6 The coating morphology of balloon dilatation before and after

2.2 藥物釋放曲線

藥物釋放率的計算公式如下[15]：

%Release=(Wt/Wtotal)×100

(1)

其中Wt為在時間t內(nèi)釋放的藥物濃度，從紫外光譜中讀取釋放介質(zhì)的吸光度，根據(jù)校準曲線計算的藥物濃度；Wtotal為藥物洗脫支架的藥物濃度。

Noyes-Whitney方程[16]提出來了藥物釋放的動力學基本原理為：

(2)

圖7 DES體外藥物釋放曲線Fig.7 In vitro drug release of DES

3 結(jié)論

本文研究的支架為新型單面刻槽的鎳鈦合金支架，運用顱內(nèi)腦血管疾病，本文主要對凹槽的識別、掃描，凹槽內(nèi)藥物的噴涂以及支架的結(jié)合力等方面做了初步的探究。實驗表明藥物能夠在凹槽均勻分布，球囊擴張過程中，支架沒有出現(xiàn)脫落、分層等現(xiàn)象，通過體外釋放實驗證實了藥物的有效性。與傳統(tǒng)的藥物涂層支架相比，單面刻槽支架具有更少的藥物量和聚合物量，即藥物涂層僅僅存儲于支架外表面的凹槽內(nèi)，藥物釋放曲線表明能夠在較長時間內(nèi)保持有效治療濃度效果，微噴射技術符合實驗過程中的噴涂工藝要求。今后的實驗旨在提高凹槽的涂層質(zhì)量。