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使用静电纺丝与球囊可扩张裸金属支架制备小口径支架移植物

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DOI：

10.3791/54731

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2016年10月26日

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1Division of Engineering, Mayo Clinic, 2Department of Cardiovascular Diseases, Mayo Clinic, 3Department of Cardioangiology, ICRC, St. Anne's University Hospital, 4Department of Vascular Surgery, Mayo Clinic, 5Department of Physiology and Biomedical Engineering, Mayo Clinic

本文内容

摘要

在本方案中，我们介绍了一种通过将球囊可扩张支架夹在两层电纺纳米纤维聚氨酯之间来制备小口径支架移植物的方法。

摘要

支架移植物广泛用于治疗多种疾病，如主动脉病变、动脉瘤、冠状动脉介入手术引起的栓塞以及血管穿孔。这类支架移植物通常通过在支架表面覆盖聚合物膜制备而成。理想的支架移植物应具备生物相容性支架，并由具有多孔性、抗血栓性及生物相容性的聚合物膜包覆，该膜可模拟细胞外基质，从而促进损伤部位的愈合。本实验方案的目标是通过在球囊可扩张支架外部包覆两层静电纺丝聚氨酯纳米纤维，制备小口径支架移植物。研究表明，静电纺丝聚氨酯能够模拟天然细胞外基质，促进内皮化，从而有助于组织修复。在缓慢旋转的芯模上进行聚氨酯纳米纤维的静电纺丝，使我们能够精确控制纳米纤维膜的厚度，这对于获得小口径球囊可扩张支架移植物至关重要。通过对支架移植物进行压握和扩张的机械性能验证表明，该纳米纤维聚氨酯膜具有足够的柔韧性，可在保持通畅的同时完成压握与扩张，且无撕裂或分层迹象。此外，采用本方案所述方法制备的支架移植物可使用标准尺寸的引导导管，通过冠状动脉介入手术进行植入。

引言

冠状动脉介入手术由于斑块和血管壁的破坏，会导致显著的血管壁损伤。这可能引发再狭窄、静脉移植物远端栓塞以及冠状动脉管腔不连续1-4。为避免这些并发症，一种有前景的策略是在血管成形术部位覆盖血管表面，从而潜在地抑制再狭窄、减轻管腔不连续带来的风险，并防止远端栓塞。以往的研究已将裸金属支架与支架移植物进行比较，结果显示支架移植物具有更优的疗效5。研究人员已采用多种材料制造用于覆盖支架的膜，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚氨酯（PU）和硅胶等合成材料，以及自体血管组织来制造覆膜支架6-9。用于覆盖支架的理想移植物材料应具备抗血栓性、不可生物降解性，并能在无过度增殖和炎症反应的情况下与宿主组织整合10。此外，用于覆盖支架的移植物材料还应促进支架移植物的愈合过程。

支架移植物广泛用于治疗主动脉缩窄、颈动脉假性动脉瘤、动静脉瘘、退化的静脉移植物以及大型至巨大颅内动脉瘤。然而，小口径支架移植物的发展受限于其保持低剖面和高柔韧性的能力，而低剖面和高柔性有助于支架移植物的输送与释放11-14。聚氨酯（PU）是一种具有优良机械强度的弹性聚合物，这一特性有利于实现低剖面和良好的柔韧性15,16。除了良好的输送性能外，支架移植物还应促进快速愈合和内皮化。研究表明，聚氨酯覆膜支架移植物具有更优的生物相容性，并可增强内皮化过程17。研究人员此前曾尝试通过在聚氨酯覆膜支架移植物表面接种内皮细胞来实现内皮化17。采用静电纺丝技术制备聚氨酯纳米纤维基质已被证明是制造血管移植物的一种有效方法18,19。已知纳米纤维结构可模拟天然细胞外基质的架构，从而促进内皮细胞增殖20,21。此外，静电纺丝技术还可精确调控材料的厚度22。针对小口径聚氨酯血管移植物，已有研究通过表面涂层、抗凝剂和细胞增殖抑制剂等改性手段来促进愈合。所有这些改性策略均旨在调节宿主对移植物的接受性，并促进移植物的愈合过程23。

本课题组已开发出一种可经球囊扩张的裸金属支架，可在动物模型中进行植入24-26。通过将静电纺丝聚氨酯网状材料与可经球囊扩张的支架相结合，我们成功制备出小口径的球囊扩张型支架移植物。目前大多数可用的支架移植物在介入手术中需经股动脉导入，但仅有少数商用覆膜支架的导入鞘外径仅比未充气球囊所需的鞘外径大1 French尺寸27。在本研究中，我们通过将可经球囊扩张的支架夹在两层静电纺丝聚氨酯（PU）材料之间，开发出一种小口径血管支架移植物，可在经皮介入手术中通过标准的8–9 French导引导管输送至冠状动脉。

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方案

1. 在心轴收集器上进行聚氨酯的静电纺丝

  1. 准备静电纺丝用芯轴
    1. 在烘箱中，将约 8 ml 生物相容性、食品级、水溶性支撑材料置于量筒（直径约 9 mm，深度约 110 mm）内，于 155 °C 加热熔化。
    2. 将直径3 mm、长100 mm的不锈钢芯轴浸入，以在芯轴表面获得一层支撑材料涂层。浸入前，将芯轴置于155 °C的烘箱中加热约15分钟，以提高芯轴表面温度，有助于熔融的支撑材料润湿表面。
    3. 让浸入的芯轴冷却至约 140 °C，同时熔融的支撑材料固化，在芯轴表面形成均匀的薄层。冷却过程中，将芯轴垂直悬挂，使重力作用下多余的支撑材料滴落。该涂层有助于将制备完成的支架移植物从芯轴上轻松取下。
  2. 静电纺丝系统心轴收集器的设置（如图1所示）
    1. 将实验室混合器水平放置，并在通风橱内将其另一端连接一根塑料杆，用于固定不锈钢搅拌棒。
    2. 通过将芯轴末端浸入水中，溶解芯轴尖端的支撑材料，以适配芯轴末端的塑料支撑杆。在芯轴的自由端支撑住塑料支撑杆，以协助芯轴收集器均匀旋转。
    3. 使用塑料支撑杆上的紧定螺钉固定不锈钢芯轴，以防止在电纺丝过程中发生滑动。
    4. 通过将U形接地线连接到不锈钢芯轴上，使芯轴收集器接地。使用橡胶O形圈将接地线固定在芯轴的两侧。
  3. 建立静电纺丝系统的液体聚氨酯挤出装置
    1. 将二甲基乙酰胺（DMA）与25%（m/v）聚氨酯（PU）储备溶液混合，得到15%（m/v）PU的DMA溶液（例如，将6 ml DMA加入9 ml 25% PU溶液中。
      注意！应在通风橱内操作，并佩戴适当的个人防护装备。
    2. 用钝端不锈钢针头（喷丝头）装填5 ml玻璃注射器，并吸入15% PU溶液。
    3. 根据注射器的内径，将注射泵程序设置为以 0.01 ml/min 的速度进行挤出。
    4. 将装有喷丝头的注射器水平安装在注射泵上，使针尖与心轴收集器之间的距离约为20 cm。使用橡胶片将注射器与注射泵的导电部件隔离开，以防止产生电弧。
    5. 使用鳄鱼夹将高压电源连接到注射器的喷丝头。
  4. 以0.01 ml/min的速度运行注射泵，同时使用实验室混合器以低速旋转芯轴（例如，50 转/分钟）。
  5. 在喷丝头与收集芯轴之间施加20 kV的电压差。聚氨酯（PU）纳米纤维将开始沉积在旋转的芯轴上，数分钟内即可观察到一层薄薄的纤维层。确保关闭通风橱并关闭排风，以避免静电纺丝纳米纤维的损失。

2. 静电纺丝制备支架移植物

  1. 在旋转芯轴上电纺PU纳米纤维2小时，以制备均匀的管状结构（如步骤1所述）。
  2. 将芯轴从连接至实验室搅拌器的塑料杆上取下，安装裸金属支架。在取出芯轴前，打开通风橱并启动排风系统，以确保残留的溶剂蒸气被及时排出。
  3. 将球囊扩张型不锈钢支架26沿轴向滑动至电纺管的预定位置。可能需要轻微扩张支架，以便其顺利套入而不损坏电纺管。
  4. 压握支架，确保支架紧密固定在芯轴上的管材表面，不会松动滑移。此操作也有助于防止内外层材料发生分层。
  5. 将带有支架和管材的芯轴重新安装至实验室搅拌器的塑料杆上，用于电纺支架-移植物的外层。
  6. 按照步骤1所述方法电纺纳米纤维3小时，以构建支架-移植物的外层。
  7. 完成外层电纺后，使用手术刀在支架两端约1 mm处沿周向切割PU材料。
  8. 将带有支架-移植物的芯轴浸入去离子水中，以溶解芯轴上的支撑材料，从而使支架-移植物从芯轴上释放。根据需要更换新鲜去离子水，确保支撑材料完全溶解。
  9. 待支撑材料完全溶解后，轻柔地将支架-移植物从芯轴上取下，并使其自然干燥。建议在空气中干燥前，先将取出的支架-移植物浸泡于去离子水中，以进一步溶解可能残留的支撑材料。

3. 人工血管支架的测试

  1. 将支架移植物滑至3 mm三折球囊上。
  2. 使用手持式压握工具将支架移植物压握至球囊上。
  3. 通过显微镜检查压握后的支架移植物，观察压握是否均匀，以及是否存在因支架变形导致的覆膜分层或穿孔等其他失效迹象。
  4. 使用注水装置向三折球囊注水加压，将支架移植物扩张至设计直径3 mm。再次检查扩张后的支架移植物，观察扩张是否均匀，以及是否存在失效迹象。

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结果

我们的静电纺丝装置（图1）已成功制备出高质量的聚氨酯纳米纤维（图2）。支架移植物通过以下步骤制备：首先在芯模上静电纺丝一层内层聚氨酯，然后将裸金属支架套在该层上，再静电纺丝第二层外层聚氨酯（图3）。聚氨酯纳米纤维的纺丝速率为50 µm/hr，最终在支架移植物上形成厚度为100 µm的内层和150 µm的外层。采用本方案进行静电纺丝可获得均匀的纳米纤维聚氨酯层（图4）。对所制备的小口径支架移植物进行压握和扩张测试，结果表明，这些器械可使用标准三折球囊顺利输送，且无非均匀压握或材料失效迹象（图5）。

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讨论

我们开发了一种小口径支架移植物的制备技术，该支架移植物可通过标准经皮冠状动脉介入（PCI）手术进行植入。目前可用的支架移植物在保持低剖面和植入灵活性方面存在局限性。我们课题组在先前研究中开发的金属裸支架已被证实有助于支架植入动脉的快速愈合24,26。其他研究团队已采用多种聚合物进行静电纺丝，其中聚氨酯已被证实具有良好的生物稳定性和生物相容性。此外，聚氨酯还具有极低的细菌黏附性13,28。

在本研究所述的方案中，我们开发了一种植入式支架移植物，其结构为将球囊可扩张支架夹在两层静电纺丝聚氨酯之间，并进一步对这些支架移植物进行了压握和扩张性能测试。首先，我们制备了一种不锈钢支架，该支架可采用标准经皮冠状动脉介入（PCI）技术进行压握和扩张。其次，我们建立了一种静电纺丝技术，能够在旋转芯模收集器上生成高质量的聚氨酯纳米纤维。最后，我们开发了一种工艺，可将支架稳定夹在两层静电纺丝聚氨酯之间，且不发生分层。最终装置可在标准3 mm三折球囊上实现压握与扩张。我们使用标准的8或9 French导引导管，将1至2个此类支架移植物植入12头猪体内（共植入22...

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披露

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

致谢

我们感谢梅奥诊所工程部提供的技术支持。本研究获得了欧洲区域发展基金—FNUSA-ICRC（编号：CZ.1.05/1.100/02.0123）、美国国立卫生研究院（T32 HL007111）、美国心脏协会科学家发展基金（AHA #06-35185N）以及格兰杰创新基金—格兰杰基金会的资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
玻璃注射器Air Tite7.140-33用于喷丝头的注射器
5 ml 量筒Fisher Scientific08-552-4G5 ml 耐热玻璃量筒，直径约 9 mm，长 11 cm
高压电源Bertan Accociates, Inc.205A-30P用于在喷丝头和收集器之间施加电压差
带转速控制的实验室搅拌器ScilogexSCI-84010201可从各种实验室设备供应商处获得
聚氨酯DSMBioSpan SPU生物弹性体嵌段聚氨酯
橡胶垫片McMaster Carr1370N11用于静电纺丝过程中绝缘注射器
不锈钢芯轴N/AN/A自制 
不锈钢针头Hamilton91018用作静电纺丝中的喷丝头
支撑材料EnvisionTecB04-HT-DEMOMAT生物相容性水溶性材料
注射泵Harvard Apparatus55-3333

参考文献

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