可降解镁合金血管支架的形状优化设计策略及其体内外实验验证

可降解镁合金血管支架可望解决传统不降解血管支架临床上常见的支架内再狭窄、异物炎性反应以及血管舒缩功能障碍等问题，具有光明的临床应用前景。但是其临床应用的最大挑战问题是如何保证血管支架在具有较高的径向支撑强度的前提下实现其体内的均匀降解。其中支架压握过程中的不均匀变形，是导致镁合金支架局部应力集中以及不均匀降解的重要因素，而支架的形状设计对压握变形过程有很大影响，因此对镁合金支架进行形状优化设计十分必要。

通过对支架的基体材料性能、支架结构和载药涂层的综合优化设计，可以实现镁合金支架优于生物可吸收聚乳酸支架的效果，甚至进一步取代现有药物洗脱支架。该研究提出了一种基于有限元方法的形状优化设计策略，并将其应用于课题组自行研发的材料本身具有均匀降解特性的Mg-Nd-Zn-Zr（JDBM）合金制备的血管支架上，在体外各项力学性能测试和体内降解过程观察中都取得了符合预期的实验结果。

该研究首先通过微区XRD分析和有限元数值仿真证实了压握过程会在支架中引入大塑性变形，创造性地将压握变形过程纳入到镁合金血管支架形状优化设计中，通过引入凸起平台结构配合形状优化，实现了支架压握状态下平行、紧凑的支撑杆排布，进而实现了镁合金支架的各项生物力学性能的最优匹配。在随后的动物实验中，经过形状优化的JDBM支架被植入新西兰大白兔髂动脉，并对其在体内的生物安全性、对血管壁支撑能力的有效性以及在动物体内的降解行为进行了系统的分析和讨论。该研究提出了一套基于有限元方法的形状优化策略和全面的数值仿真预测方案，并得到了体内、体外的实验验证，为深入研究可降解镁合金血管支架，包括可降解锌合金、铁合金和聚乳酸血管支架等的变形过程和生物力学性能提供了有效的技术方法和途径。论文共同第一作者为上海交大的陈晨忻博士，中山医院陈佳慧博士和米兰理工大学吴卫博士，上海交大袁广银教授和意大利米兰理工大学Francesco Migliavacca教授为该文章的共同通讯作者。

Fig. 1 Study flowchart. Device optimization morphed a sine-wave ring stent with a 6 crown and open-cell structure into an enhanced design.

Fig. 2 The residual stress state of the SIN (sine-wave) and OPT (optimized) stents. (a, b) The maximum principal stress distribution of the SIN and OPT stents after balloon inflation and recoil. (c, d) The εΦΨ−sin2Ψ diagram of {104} planes of magnesium on SIN and OPT stents. (e, f) The distribution of the circumferential stress component of the SIN and OPT stents. And the stress component values along the inner edge. (g, h) The distribution of axial stress component and the values along the inner edge for the SIN and OPT stents. (i) The histograms of the maximum principal stress of the SIN and OPT stents.

课题组简介

上海交通大学袁广银教授：博导，上海交通大学长聘教授，上海市优秀学术带头人、教育部新世纪优秀人才。十多年来主要从事生物可降解医用金属材料及其在心血管支架、骨内植物等领域的研究，成功解决了医用镁合金均匀可控降解的难题。作为第一作者和通讯作者已在《Biomaterials》、《Acta Biomaterialia》、《ACS Appl. Mater. Interfaces》、《Nanoscale》、《Corrosion Science》、《Scientific Reports》等国际学术期刊发表论文100余篇，被引用3500余次。获授权发明专利30余项，申请中国发明专利20余项，申请美国发明专利5项。已实施专利技术转化8项，荣获上海市科技进步（技术发明类）一等奖等。现任上海交大轻合金精密成型国家工程研究中心副主任，上海交大材料学院教学委员会主任，上海交大材料学院生物材料联合研究中心主任。

基金资助
该研究得到了国家重点研发计划项目(2016YFC1102400)、国家自然科学基金委(No. U1804251, 81670319, 81521001)、上海市科委 (17XD1402100)和美国国立卫生研究院(R01 GM49039, ERE)的支持。

论文信息

Paper information

Chen C, Chen J, Wu W, Shi Y, Jin L, Petrini L, Shen L, Yuan G*, Ding W, Ge J, Edelman E, Migliavacca F*. In vivo and in vitro evaluation of a biodegradable magnesium vascular stent designed by shape optimization strategy. Biomaterials 2019, 221, 119414.