覆膜支架的金属支架结构设计对其顺应性的影响

相较于传统开放式手术，腔内隔绝术(endovascular repair， EVAR)具有术中创伤小、失血少，术后留院时间短，临床短期的发病率和死亡率低等优势，因此被广泛接受[1-5]。然而，其临床远期仍存在覆膜支架滑移、内漏等问题[6-7]。刚度较大的覆膜支架的植入可能会提高血液压力波的反射、管腔内血流紊乱以及动脉直径的变化[8-12]。通常采用顺应性来表征血管壁的弹性性能，该指标是指血管内部血液压力变化导致管腔容积或直径变化的响应程度。顺应性值高，血管壁弹性好；顺应性值低，血管壁弹性差。覆膜支架和宿主血管间的顺应性不匹配可能是导致这些临床远期并发症和血流紊乱的主要原因[13-14]，也是人工血管的研发中长期备受困扰的问题[15-16]。

覆膜支架是金属支架和人工血管的复合体，目前，关于覆膜支架顺应性的文献资料十分有限，有研究显示目前临床常用的覆膜支架会使血管壁的刚度增大[17-18]、血流紊乱。

关颖等[19]对人工血管的顺应性影响因素进行了系统的综述后发现，材料、结构和后处理方法是影响人工血管顺应性的主要因素。另外，Guan等[13]选取顺应性差异较大的涤纶和氨纶作为支架覆膜材料，当选用顺应性较优的氨纶织物作为覆膜材料时，覆膜支架的顺应性也会随之提高。由此可知，覆膜材料的顺应性对覆膜支架的顺应性有显著影响。

尽管文献[20-21]研究结果表明，有些裸金属支架顺应性较好，但与宿主血管顺应性匹配的金属支架仍有待研究[22]，同时金属支架结构与顺应性的相关关系仍不清楚。据笔者了解，目前尚无针对覆膜支架上金属支架的结构与覆膜支架顺应性相关关系的报道，而金属支架结构对覆膜支架的顺应性将产生直接的影响。

因此，本文拟探索覆膜支架上的金属支架结构参数对覆膜支架顺应性的影响，为设计和开发新型顺应性良好的覆膜支架提供可靠的理论基础。

1 试验部分

1.1 试验材料

参照目前商用覆膜支架所使用的金属支架的形态和结构参数，选用直径为0.4 mm的镍钛合金丝为原料，笔者设计并委托制备了一系列尖端角度(A组)、支架环间距离(B组)、金属支架类型(C组)等形态和结构具有差异的金属支架(南京微创医学科技股份有限公司)，其形态和结构参数设计方案如图1和表1所示。

图1 覆膜支架的结构参数及顺应性测试点示意图
Fig.1 Schematic of structural parameters and compliance testing positions of stent grafts

表1 覆膜支架中金属支架的结构参数
Table 1 Structural parameters of metal stents of stent grafts

基于笔者前期的研究结果[13]，当覆膜的顺应性值较小时，覆膜支架整体的顺应性值也相对较小，而且其金属支架段和覆膜段的顺应性值差异不显著。当覆膜顺应性值相对较大时，覆膜支架整体的顺应性值也相应增大，且金属支架段和覆膜段的顺应性值差异显著，能够较明显地体现出金属支架的存在对覆膜支架整体顺应性的影响趋势。因此，为了充分体现不同金属支架结构设计对覆膜支架顺应性的影响，本文选取顺应性优良的聚氨酯薄壁管与金属支架复合，凸显金属支架结构设计的优势或劣势，从而更准确地得到不同金属支架结构设计对覆膜支架顺应性的影响。此聚氨酯薄壁管的壁厚为(0.285±0.015)mm，直径为10 mm。

1.2 试验方法

参照ISO 7198—2016《心血管植入物——人工血管》[23]，在100451型生物材料动态测试模块(美国Bose公司)上对聚氨酯薄壁管和覆膜支架的顺应性进行测试。通过一束平行排列的激光束垂直穿过试样的轴向，通过记录被试样遮挡的激光束宽度来评价试样的直径，测试方法示意图如图2所示。测量并记录试样在10.7～16.0 kPa(80～120 mmHg)压力段下的直径变化，试样顺应性C的计算如式(1)所示。

(1)

式中：C为顺应性，%/100 mmHg；p1、 p2分别为低压力、高压力，mmHg；Dp1、Dp2分别为低压力、高压力时对应的试样直径，mm。

(a) 试样截面

(b) 试样主视图
图2 顺应性测试示意图
Fig.2 Schematic of compliance test

由于本研究采用的顺应性评价指标是直径顺应性，相较于体积顺应性评价试样整体顺应性的方法，直径顺应性则更多地评价试样上所测试位置的顺应性情况，与所测试位置处的结构和材料等有较大关系。覆膜支架沿轴向及周向的结构都不是均匀一致的，沿轴向金属支架与覆膜复合的金属支架段和只有覆膜的覆膜段相交替，沿周向金属丝和覆膜相交替。为了探究金属支架结构设计对覆膜支架的顺应性的影响，在覆膜支架的金属支架段和覆膜段分别选取测试点进行顺应性测试，顺应性测试点的选取如图1所示。其中，SM点和M1点分别是Z型和M型金属支架上金属丝的中点位置，用于反应金属丝的存在对顺应性的影响；FM点位于Z型金属支架上的金属丝间所包含覆膜的中间位置，与SM位于同一水平线，从而可以与SM点相呼应，对比突出金属丝对于顺应性的影响；M2位于M型金属支架上，小波高的下顶点位置，与Z型金属支架上FM点相对应；FR是Z型和M型金属支架大波高下缘织物覆膜部分的中点位置，这一点虽处于金属段，但紧邻覆膜段，并且是金属段的连续覆膜最多的位置，此位置具有特殊性，利于全面地呈现出覆膜支架上的顺应性分布情况；FF是覆膜支架上覆膜段的中点位置，用于反应覆膜段的顺应性情况。Z型和M型金属支架上的点相互对应，从而方便研究金属支架结构类型对覆膜支架顺应性的影响。

由于本文所采用顺应性测试方法为直径法，所测直径为试样垂直于激光束方向上的直径。因此为了测试不同点处的顺应性，需要将待测的测试点置于试样上、下边缘处，使其所在位置处的直径变化可以被激光束探测到。

1.3 统计学方法

顺应性计算结果均采用平均值±标准偏差的表达方式。借助SPSS 19.0统计学软件，采用单因素方差分析对数据组间进行显著性检验，当P<0.05时认为组间具有显著性差异。

2 结果与讨论

2.1 聚氨酯薄壁管的顺应性

聚氨酯薄壁管的顺应性采用如前所述的顺应性测试方法，在10.7～16.0 kPa(80～120 mmHg)压力段下进行测试，测得其顺应性为(17.50±0.34)%/100 mmHg。

2.2 不同金属支架角度的覆膜支架的顺应性

不同金属支架角度(A组)的覆膜支架在SM、 FM、 FR和FF处的顺应性如表2所示。

表2 不同金属支架角度的覆膜支架的顺应性
Table 2 Compliance of stent grafts with various stent angles %/100 mmHg

由表2可知，A1、 A2、 A3试样在所有测试点处的顺应性值均显著小于聚氨酯薄壁管的顺应性。此外，在3种金属支架角度条件下FF点的顺应性均大于其他点处的顺应性，但A1、 A2和A3在FF点处的顺应性均没有显著性差异。在FM点处，A2的顺应性显著大于A1而与A3没有显著性差异。金属支架角度从30°增大到45°，角度增大了50%，FM点处的顺应性增大了11.1%，而当从45°增大到55°时，FM点处的顺应性没有显著增大，顺应性对于角度的增大并不敏感。而在FR点处，A1试样的顺应性显著大于A3试样。在SM点处，3种试样间均具有显著性差异。随着A1、 A2、 A3试样的金属支架角度的增大，FR点处的顺应性逐渐降低，并且与FM点的顺应性间的差异逐渐减小；SM点处的顺应性逐渐降低，并且与FM点的顺应性间差异逐渐增大。这可能与金属支架角度增大导致其金属支架尖端的弯曲程度降低有关。当金属支架角度较小时，其尖端处金属丝弯曲程度较大，在压力的作用下，更容易表现出弯曲程度的改变，从而表现为顺应性较大。

2.3 不同支架环间距离的覆膜支架的顺应性

不同支架环间距离(B组)的覆膜支架在SM、 FM、 FR和FF处的顺应性如表3所示。

表3 不同支架间距离的覆膜支架的顺应性
Table 3 Compliance of stent grafts with different stent spacing %/100 mmHg

由表3可知，B1、 B2、 B3试样在所有测试点处的顺应性值均显著小于聚氨酯薄壁管的顺应性。B1、 B2、 B3试样在FM、 FR和SM点处均没有显著性差异。随着支架环间距离的增大，B2和B3顺应性值差异不显著。FM点和SM点处的顺应性值没有显著性差异。同时，同一试样在FR点处的顺应性大于FM点和SM点的顺应性。试样B2和B3，均表现出FF点处的顺应性大于FR点处。随着支架环间距离的增大，FF点处的顺应性有增大的趋势。支架环间距离从5 mm增大到15 mm，覆膜段FF点处的顺应性增大了10.5%，而支架环间距离进一步增大到20 mm则对顺应性的增大没有显著性影响。此时支架环间的距离是单个金属支架环高度的1.82倍，此时覆膜段FF点处表现出的顺应性仅有聚氨酯薄壁管自身原有顺应性的50.3%。由此可知，金属支架不仅限制其所在位置处的覆膜的顺应性，而且对覆膜段的顺应性也有较大影响，采用增大支架环间距离的方式可以一定程度上改善此情况。但过分增大支架环间距离以改善顺应性是不可取的，这是因为金属支架是提供覆膜支架支撑性的主要部分，过大的金属支架环间距离将会降低覆膜支架的支撑性，而支撑性是其最为主要的一个性能，因此需要综合顺应性和支撑性能等多方面因素进行覆膜支架的设计。

2.4 复合M型金属支架的覆膜支架的顺应性

复合M型金属支架(C组)的覆膜支架在M1、 M2、 FR和FF处的顺应性如表4所示。

表4 复合M型金属支架的覆膜支架的顺应性
Table 4 Compliance of stent grafts with M-stent %/100 mmHg

由表4可知，C2试样的顺应性在M1、 M2和FR点处均较C1试样有不同程度的下降，下降到C1试样顺应性的85.8%、 92.9%和88.1%。C1和C2试样在FR点处的顺应性显著大于M1和M2点，两者在M1、 M2和FR点均表现类似B组试样，即随着金属支架角度增大，其顺应性呈现降低趋势。这可能也与金属支架尖端角度不同，其形变能力不同有关。FF与FR点处的顺应性没有显著性差异，FF点处的顺应性大于M1和M2点。

复合M型金属支架的C1和C2试样在单个支架环内分别有4和3个最小金属支架结构单元，相对应的A2和A3试样所复合的Z型金属支架也具有4和3个最小金属支架结构单元，因此可将其两两进行对比。其中，Z型金属支架上的SM点与M支架上的M1点对应，FM点与M2点对应。两组试样相比较，均表现出SM点顺应性小于M1点，而FM点顺应性大于M2点。M型金属支架上的M1和M2两点在同一个圆周上，二者间的顺应性差异较小(如表4所示)。Z型金属支架环上的SM和FM两点也在同一圆周上，但二者的顺应性差异随金属支架尖端角度的增大而增大(如表2所示)。从而表现为Z型金属支架环周顺应性不均匀，从而更有可能使其内部血流产生紊乱。从这个角度考虑，M型金属支架优于Z型金属支架。

综上可知，所有试样的测试点的顺应性均小于聚氨酯薄壁管本身的顺应性，这说明金属支架的复合对于覆膜材料的顺应性具有抑制作用，这与前期的研究结果[13]是一致的。覆膜段的测试点与金属支架上的测试点顺应性较高，从而进一步验证了金属支架对覆膜顺应性的抑制作用。此外，金属支架对覆膜段的顺应性也存在抑制作用，但不如金属支架上的点显著。

3 结 语

本文研究了覆膜支架的金属支架结构设计对顺应性的影响，主要是金属支架角度、支架环间距离和金属支架类型对顺应性的影响，并对其金属支架段和覆膜段分别选取测试点进行顺应性测试表征。增大金属支架角度，FM点处的顺应性略有增加，但不利于金属支架段其他测试点处的顺应性，对覆膜段的顺应性没有影响。增大金属支架环间的距离有助于增大覆膜段的顺应性，但持续增大支架环间的距离，对覆膜段的顺应性并无促进作用。Z型金属支架环周顺应性分布不均匀，而M型金属支架环周顺应性分布均匀，从此角度考虑，M型金属支架优于Z型。覆膜支架的结构设计应综合考虑其各项性能指标，从而达到整体的最优化设计。