麻省理工学院的新研究揭示了聚合物支架为何失败的原因

研究人员希望他们的工作将导致设计和评估聚合物支架和其他类型的可降解医疗设备的新方法。图像：王培江

许多患有心脏病的患者都植入了金属支架，以保持冠状动脉开放并防止可能导致心脏病发作的血液凝结。这些支架的一个缺点是长期使用会最终损坏动脉。

几年前，为了克服这个问题，引入了一种由可生物降解的聚合物制成的新型支架。支架设计人员希望这些设备最终能被血管壁吸收，从而消除长期植入的风险。最初，这些支架在患者中似乎运作良好，但是几年后，这些患者比金属支架患者经历了更多的心脏病发作，聚合物支架被淘汰了。

麻省理工学院医学工程与科学研究所以及材料科学与工程系的MIT研究人员现在发现了这些支架失效的原因。他们的研究还揭示了为什么在开发过程中未发现问题：基于用于金属支架的评估程序，并不十分适合评估聚合物支架。

麻省理工学院卫生科学与技术教授Elazer Edelman说：“人们一直在评估聚合物材料，就好像它们是金属一样，但是金属和聚合物的行为却不一样。”“人们看错了指标，看错了时间表，没有正确的工具。”

研究人员希望他们的工作将导致设计和评估聚合物支架和其他类型的可降解医疗设备的新方法。

“当我们使用聚合物制造这些设备时，我们需要开始考虑制造技术将如何影响微结构，以及微结构将如何影响设备性能，”主要作者，波士顿大学研究生王培江（Pei-Jiang Wang）说。正在与Edelman合作撰写博士学位论文。

爱德曼（Edelman）是该论文的高级作者，该论文于2月26日当周在美国国家科学院院刊上发表。其他作者包括麻省理工学院的研究科学家尼古拉·费拉里斯（Nicola Ferralis），麻省理工学院材料科学与工程学教授杰弗里·格罗斯曼（Jeffrey Grossman）和爱尔兰国立大学高威大学工程学教授克莱尔·康威（Claire Conway）。

微观结构缺陷

可降解支架由称为聚-1-乳酸（pLLA）的聚合物制成，该聚合物也可用于可溶缝合线中。临床前测试（在实验室和动物模型中进行的研究）没有发现任何令人担忧的原因。在人类患者中，支架在第一年看起来很稳定，但随后出现了问题。三年后，超过10％的患者经历了心脏病发作，包括致命的心脏病发作，或不得不接受另一次医学干预。这是使用金属支架的患者的两倍。

在将支架从市场上撤下后，研究小组决定尝试找出是否有可能早些时候被发现的警告信号。为此，他们使用拉曼光谱分析支架的微观结构。该技术使用光来测量分子振动中的能量转移，可提供有关材料化学成分的详细信息。Ferralis和Grossman修改并优化了研究支架的技术。

研究人员发现，在微观层面上，聚合物支架具有异质结构，最终导致结构塌陷。支架的外层具有由高度排列的聚合物制成的光滑晶体结构，而内芯则倾向于具有较不规则的结构。当支架膨胀时，这些区域会破裂，可能会导致结构部分早期丧失完整性。

Wang说：“由于不均匀的降解将导致某些位置的降解更快，因此会促进较大的变形，从而可能导致流动中断。”

当支架变形时，它们会阻塞血液流动，从而导致血凝块和潜在的心脏病发作。研究人员认为，他们在这项研究中获得的信息可以帮助支架设计者提出制造支架的替代方法，从而使他们可能消除一些结构上的不规则性。

一个沉默的问题

研究人员称，这些问题没有及早发现的另一个原因是，许多临床前测试仅进行了大约六个月。在这段时间内，聚合物器件开始在微观水平上降解，但是科学家使用的分析工具无法检测到这些缺陷。直到很久以后才出现可见的变形。

“在这段时间里，它们并没有明显腐蚀。问题是沉默，”爱德曼说。“但是到三年末，这是一个巨大的问题。”

研究人员认为，他们用于分析设备微观结构的新方法可以帮助科学家更好地评估新支架以及其他类型的可降解聚合物设备。

Edelman说：“这种方法提供了一种工具，使您可以很早地查看一个指标，该指标可以告诉您一些稍后会发生的事情。”“如果您事先了解潜在问题，则可以更好地了解在动物模型和临床模型中查找安全性问题的位置。”

该研究由波士顿科学公司和美国国立卫生研究院资助。

出版物：Wang Pei-Jiang Wang等人，“应变诱导的聚合血管支架的加速不对称空间降解”，PNAS，2018年； doi：10.1073 / pnas.1716420115