镁基血管支架材料在模拟流体动力生理环境中降解和生物应答研究

摘要

目前，医疗植入器械产业正处于从永久型植入物到可吸收再生型植入物的转型。这些可吸收金属材料主要有由镁和镁合金制成。虽然目前关于可吸收金属材料已经开展了大量的研究，但现有的美国材料与试验协会和国际标准化组织已公布的标准不能准确的评价体外降解行为进而预估体内降解行为。发展现行标准的一个关键步骤是在试验系统中明确和测试相关的微环境和参数。此外，针对于可吸收镁基血管支架的临床应用，需要完全理解镁基支架的生物降解机制，同时需要建立可控降解和提高生物相容性的可靠方法。　　本研究的主要目的是为了更好地认识在模拟血管微环境中流体动力学对镁降解的影响。我们自主开发了一系列血管的生物反应器来模拟体内/临床条件以揭示降解机制，例如体外多流速动态实验与计算机流体动力模拟相结合系统，原位瞬时电化学检测系统，以及模拟血管内皮化前后阶段的镁降解行为的体外猪主动脉生物反应器模型和体内鼠动脉模型评价系统。　　准确测定腐蚀类型，腐蚀速率和腐蚀产物对预测镁基血管支架的使用寿命起着关键的作用。实验表明流体动力学，流体流速和剪切力对可吸收镁基支架的降解/腐蚀行为起着关键的作用。流体剪切应力加速了质量和电子的转移过程，导致整个腐蚀过程加剧，包括局部腐蚀、均匀腐蚀、点蚀和侵蚀。流体剪切应力提高了平均的均匀腐蚀速率、局部腐蚀的覆盖率和腐蚀深度、以及增加了局部腐蚀区域内部腐蚀产物的去除率。这些结果与电化学测试的均匀腐蚀产物层阻抗、局部腐蚀阻抗以及极化阻抗呈现了一致的相关性。就镁合金血管支架而论，在流体剪切力为0.056 Pa条件下的腐蚀前后体积损失率是0 Pa条件下的两倍。流体运动方向对腐蚀行为有明显的影响，面对流向一侧的腐蚀产物层易从支架筋上剥落。　　为了认知镁在血管重塑内皮化前后阶段相关的降解行为，本文建立了一个猪主动脉生物反应器模型来研究流体对流和扩散引起的镁的生物降解行为。结果显示管腔表面流体的对流严重加剧了镁的腐蚀，因其增加了镁的质量转移、流体剪切应力、脉动舒张和收缩应力。同时，本文进一步建立了体内鼠动脉模型研究，研究镁的生物降解行为。结果显示无论是管壁还是管腔内的镁丝的降解速率都低于体外模型镁丝的降解速率。管壁内镁丝的降解略快于管腔内的镁丝，同时引起的钙化的富集。　　考虑到镁基支架的腐蚀和生物相容性的控制，本文设计将表面溶蚀型的聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)涂覆在镁合金表面，也对它的动态降解行为、电化学腐蚀、生物相容性和组织相容性进行了研究。在动态降解实验中，PTMC涂层有效地保护了镁合金，减慢其腐蚀速率。经PTMC涂层改性的镁合金的自腐蚀电流密度分别低于参照样未改性镁合金三个数量级和聚己内酯(PCL)改性的镁合金一个数量级。体外静态和动态的血液实验表明相较于对照样附着在PTMC涂层表面的有极少量的血小板粘附和激活，更少的红细胞，更低的溶血率。PTMC改性的镁合金植入到小鼠皮下16个星期后，剩余的PTMC涂层厚度约为其原始厚度的55％，且其均匀平坦的表面证明了是表面侵蚀降解行为;与之形成对比的是，PCL涂层对照组表现出了非均匀的体降解行为。体内试验52周后，与对照组相比，PTMC涂层镁合金的体积减少量更小，腐蚀产物也更少。没有观察到过度的炎症反应，细胞坏死和氢气聚集。PTMC涂层从外部到内部（表面溶蚀行为）均匀的表面侵蚀和中性降解产物促成了其优良的防护性能。总而言之，PTMC作为表面溶蚀型材料是一种对镁基血管支架具有前途的候选涂层材料。　　本研究强调应充分考虑到流体诱导的降解行为而实现恰当地设计镁基血管支架。这篇论文所展示的数据旨在缩小体内和体外试验结果之间的差距，以及提供更可靠的信息以便更好地理解可吸收金属支架的降解行为。

目录

声明

摘要

Abstract

Table of Contents

Chapter 1 Introduction

1．1 A paradigm shift of medical implants：From non-degradable to bio-degradable

1．2 The history ofabsorbable magnesium implants

1．3 Magnesium for vascular stents

1．4 Degradation mechanism and the influence of physiological factors on degradation

1．4．1 GeneraHzed degradation mechanism

1．4．2 Physiological parameters influencing the biodegradation behavior

1．5 Current methodoIogies to characterize the biodegradation behavior

1．5．1 Corrosion rate

1．5．2 Corrosion products

1．5．3 Corrosion types

1．6 Surface modification technologies of magnesium implants

1．7 Research motivation

1．8 Research objectives

1．9 Dissertation Layout

Chapter 2 Flow-induced corrosion behavior of absorbable magnesium-based stents

2．1 Abstract

2．2 Introduction

2．3 Experimental

2．3．1 Magnesium alloy preparation

2．3．2 Preparation of photochemically etched Mg stent

2．4 Results

2．4．1 Fundamental model：Interaction between flow and MgZnCa rectangular plate

2．4．2 Stent model：Interaction between flow and AZ31 stent

2．5 Discussion

2．5．1 FloW-induced uniform and localized corrosion

2．5．2 Effect offlow on pitting factor

2．5．3 Effect offlow on corrosion products

2．5．4 Effect offlow on hydrogen evolution

2．6 Conclusion

Chapter 3 Flow-induced corrosion of absorbable magnesium alloy：In-situ and real-time electrochemical study

3．1 Abstract

3．2 Introduction

3．3 Experimental

3．3．1 Preparation of Mg alloy

3．3．2 Vascular bioreactor with an electrochemical monitoring system

3．3．3 Morphology and corrosion products characterization

3．3．4 Corrosion rate calculation

3．4 Results and discussion

3．4．1 Computational fluid dynamic simulation

3．4．2 Corrosion types of MgZnCa alloy under the flow conditions

3．4．3 In-situ and real-time EIS

3．4．4 Flow-induced uniform corrosion

3．4．5 Flow-induced localized corrosion

3．4．6 Flow-induced comprehensive corrosion

3．4．7 Flow-induced corrosion mechanism

3．5 Conclusions

Chapter 4 An aortal bioreactor and an aortal in vivo model：Flow conrection and diffusion induced biodegradation behavior of magnesium metal

4．1 Abstract

4．2 Introduction

4．3 Experimental

4．3．1 Pure magnesium wires preparation

4．3．2 Aortal bioreactor

4．3．3 Aortal in vivo model

4．3．4 Corrosion characterization

4．3．5 Histological analysis

4．4 Results and discussion

4．4．1 Fundamental model of fluid convection and diffusion

4．4．2 Characterization of corrosion morphologies and corrosion products

4．4．3 Volume loss and average corrosion rate

4．4．4 Correlation of calcification and corrosion rate

4．5 Conclusion

Chapter 5 A surface-eroding poly(1，3-trimethylene carbonate)coating for fully-biodegradable magnesium-based stent applications：toward better biofunction，biodegradation，and biocompatibility

5．1 Abstract

5．2 Introduction

5．3 Experimental

5．3．1 Preparation of material and coating

5．3．2 In vitro degradation tests

5．3．3 In vitro hemoeompatibility

5．3．4 In vivo animal study

5．3．5 Statistical analysis

5．4 Results

5．4．1 In vitro degradation tests

5．4．2 In vitro hemocompatibility

5．4．3 In vivo animal stuay

5．5 Discussion

5．5．1 Biodegradation mechanism

5．5．2 Hemocompatibility

5．5．3 Histocompatibility

5．6 Conclusion

Chapter 6 Summary and future research

6．1 Summary of thesis

6．2 Recommendations for future research

Acknowlegements

References

Scientific achievements