用于内皮细胞捕获与滞留的铁磁性裸金属支架

摘要

我们的目标是设计、制造并测试用于捕获内皮细胞的铁磁性支架。对10个支架进行了断裂测试，另10个支架进行了残余磁性测试。最后，对10个支架进行了测试 体外 在4头猪体内植入8个支架，以展示细胞的捕获与滞留效果。

摘要

快速实现心血管支架的内皮化对于减少支架内血栓形成以及避免使用抗血小板治疗（从而降低出血风险）至关重要。既往研究已证实，利用磁力捕获并滞留经超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPION）标记的内皮祖细胞（EOC）具有可行性。但该技术需要开发一种兼具磁性、生物相容性和机械功能的支架材料，随后进行 体外 和 体内 测试以验证快速内皮化。我们采用计算机辅助设计（CAD）开发了一种由2205双相不锈钢制成的弱铁磁性支架，并通过有限元分析（FEA）进一步优化其设计。该支架的最终设计在机械压握和扩张过程中表现出低于材料断裂极限的主应变。共制造了100个支架，其中一部分用于机械测试、剩磁测量， 体外 细胞捕获研究，以及 体内 植入研究。为验证支架在压缩和扩张循环中是否会发生失效，共测试了10个支架的释放性能。另取10个支架使用强钕磁铁进行磁化，并测量其残余磁性。结果表明，支架所保留的磁性足以在实验中捕获SPION标记的EOC 体外 研究中，通过在4只猪体内分别植入1个磁化支架和1个非磁化对照支架，验证了大动物模型中SPION标记的内皮祖细胞（EOC）的捕获与滞留效果。支架植入7天后取出动脉组织并进行组织学分析。本研究开发的弱磁性支架能够吸引并滞留SPION标记的内皮细胞，从而促进血管快速愈合。

引言

植入由不锈钢、钴铬合金和铂铬合金等促血栓形成材料制成的血管支架（包括裸金属支架（BMS）和药物洗脱支架（DES））的患者需要接受抗血小板治疗，以预防血栓形成。BMS 愈合较快，但由于愈合不完全，易发生晚期再狭窄。DES 因愈合延迟，需要长期抗血小板治疗。为防止因不完全或延迟愈合导致的血栓形成而进行的抗血小板治疗会增加出血风险，可能不适用于某些患者^1,2。理想的支架应能够快速且完全地愈合，从而避免长期抗血小板治疗和晚期再狭窄。这种完全愈合只有在支架植入后迅速被单层内皮细胞覆盖的情况下才能实现。已研究表明，使用金或其他生物聚合物等生物相容性材料对支架进行涂层可改善抗血栓性能，但这些技术均未能达到如同内皮细胞涂层可能实现的理想血液相容性^3,4。

支架植入后可通过募集循环中的祖细胞使其表面覆盖内皮细胞。这种自体接种技术可利用配体和抗体来实现。但该方法受限于循环内皮祖细胞数量较少。一种有前景的策略是在植入后短暂阻断血流期间，将细胞直接输送至支架表面^3,5。该策略需要一种能够在血流恢复后仍快速捕获并牢固保留细胞的技术。我们开发了一种利用磁性支架吸引并保留植入后输送的磁标记内皮细胞的技术。为实现这一目标，需要一种具有足够磁性功能的金属裸支架（BMS），以有效捕获并保留磁标记的内皮细胞⁶。

本文讨论了2205不锈钢支架的设计、制造与测试方法。支架采用....

方案

所有动物实验均经梅奥诊所机构动物护理和使用委员会（IACUC）批准。

2205不锈钢支架的设计与分析

1. 使用 CAD 设计金属裸支架
   1. 选择“拉伸凸台/基体”特征，创建一个壁厚等于支架杆厚度的拉伸空心圆柱体。
   2. 在与拉伸圆柱体相切的另一个草图平面上设计支架图案。使平面展开图的宽度等于拉伸空心圆柱体的周长。
   3. 使用“包覆”特征将平面图案设计转移到空心圆柱体上。
   4. 以原生格式保存该零件，并另存为 ACIS 格式，以便导出用于有限元分析（FEA）。
2. 支架模型的有限元分析
   1. 将保存为 ACIS 格式的实体几何模型导入有限元分析（FEA）软件的零件模块中，以进行后续分析。
   2. 在 FEA 软件的零件建模器中，沿同轴方向为支架建模两个解析圆柱体。外圆柱体的初始直径大于支架直径，用于模拟压握器；内圆柱体的初始直径为 1 mm，用于模拟扩张用球囊。
   3. 双击装配建模器中的“实例”树项目，将上述部件按相对位置装配。
   4. 使用 FEA 软件的网格模块，指定单元类型为带缩减积分的 20 节点六面体单元，设定单元尺寸，并对支架进行网格划分。
   5. 在模型树的“相互作用属性”中，分别定义支架与两个圆柱体之间的无摩擦刚性接触对。
   6. 为支架模型赋....

结果

基于有限元分析（FEA）的迭代支架设计（图1）显示，该支架可实现压握和扩张，其主应变为20%，低于30%的极限应变。压握与扩张测试（图2）未发现任何断裂迹象。变形后支架的照片与FEA计算的形变结果高度一致，显微镜图像也未发现裂纹（图3）。根据残余磁场测量结果（图4和图5）可知，SPION标记的细胞优先聚集于轴向磁化支架的弯曲段，而在径向磁化支架中则更均匀地吸附于直段（图6）。组织学图像显示支架支柱附近存在铁染色，证实了在7天植入期间内皮祖细胞（EOC）被吸引并滞留在支架上（图7）。

讨论

我们开发了一种磁性支架，既可作为裸金属支架使用，又能吸引SPION标记的内皮细胞。在以往关于磁性支架的研究中，由于缺乏铁磁性支架，研究人员曾采用镍涂层的商用支架，或由磁性材料制成的线圈或网格^5,10-14。其他研究团队还利用市售304级不锈钢支架的顺磁性，靶向载有纳米颗粒的内皮细胞³。然而，镍涂层可能引起接受支架植入患者的过敏反应，而顺磁性支架需要外部磁场才能吸引并滞留磁性纳米颗粒^3,5。因此，设计和开发具有功能性的铁磁性支架，对于细胞递送及其他临床应用具有重要意义^10,15-20。本研究所选用材料——2205不锈钢——具有双相结构，使其呈现弱铁磁性。此外，与用于制造支架的其他不锈钢（如316L不锈钢，其极限应变为70%）相比，2205不锈钢的极限应变较低，仅为30%^6,21,22。

基于2205不锈钢的这一新型应用，本研究提供的方案阐述了设计、制造和测试弱磁性支架的方法。首先，参考现有支架结构，开发出一种简化的支架设计图案。有限元分析（FEA）模拟结果表明，为使最大主应变.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
2205 不锈钢	Carpenter Technology Corporation		圆棒坯料
Abaqus	Dassault systems		软件
阿托品			处方药
氯吡格雷			商品名：Plavix。处方药
CM-DiI	Life Technologies	V-22888	Molecular Probes，美国俄勒冈州尤金市
内皮细胞生长培养基-2	Lonza	CC-3162
手持式压接工具	Blockwise engineering	M1-RMC
盐酸（HCl）	Sigma Aldrich	MFCD00011324	注意：请佩戴防护装备，并在通风橱中操作
异氟烷麻醉剂	Piramal Critical Care, Inc.
乙醇	Sigma Aldrich	MFCD00003568
NdFeB 磁铁 2" 直径 × 1" 厚	Amazing magnets	D1000P	轴向磁化圆盘磁铁，磁极位于平面两端
经导丝三腔球囊			可使用任何市售的经导丝三腔球囊
磷酸盐缓冲液	Life Technologies	10010-023	通常称为 PBS
碳酸氢钠（NaHCO3）	Sigma Aldrich	MFCD00003528
戊巴比妥钠	Zoetis		商品名：Sleepaway（26%）、FatalPlus、Beuthanasia。  仅限持证兽医订购的管制药品
SolidWorks	Dassault systems		软件
SpinTJ-020 微型传感器	MicroMagneitcs Sensible Solutions		长探针 STJ-020 微型传感器
SPION	梅奥诊所		内部合成的纳米颗粒（参考文献：Lee, S. J. 等。磁性三氧化二铁纳米颗粒包封聚(D,L-乳酸-共-乙醇酸)及其在磁共振成像造影剂中的应用。J Magn Magn Mater 272, 2432–2433, doi:DOI 10.1016/j.jmmm.2003.12.416 (2004)）
替拉唑尔	Zoetis		仅限持证兽医订购的管制药品
胰蛋白酶 EDTA	Life Technologies	25200-056	Gibco，美国纽约州格兰德岛
赛拉嗪	Bayer Animal Health		商品名：Rompun。仅限持证兽医订购的管制药品