麻省理工学院的新研究揭示了为什么聚合物支架失败

麻省理工学院的新研究揭示了为什么聚合物支架失败

发布时间:2018-05-15    浏览量:19

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器械的新方法。图片:王培江

许多心脏病患者都植入了金属支架,以保持冠状动脉畅通,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最终会损伤动脉。

几年前,为了克服这个问题,引入了一种由可生物降解聚合物制成的新型支架。支架设计者希望这些装置最终能被血管壁吸收,消除长期植入的风险。起初,这些支架似乎在患者中运作良好,但几年后,这些患者比金属支架患者经历更多的心脏病发作,并且聚合物支架被从市场上拿走。

麻省理工学院的医学工程与科学研究所和材料科学与工程系的研究人员现已发现为什么这些支架失败。他们的研究还揭示了为什么在开发过程中未发现问题:基于金属支架使用的评估程序不适合评估聚合物支架。

“人们一直在评估聚合物材料就好像它们是金属一样,但金属和聚合物的行为方式并不一样,”麻省理工学院托马斯D.和弗吉尼亚W.卡博特健康科学与技术教授Elazer Edelman说。 “人们看着错误的指标,他们看着错误的时间尺度,而且他们没有合适的工具。”

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器械的新方法。

“当我们使用聚合物制造这些器件时,我们需要开始考虑制造技术将如何影响微观结构,以及微观结构将如何影响器件性能,”主要作者,波士顿大学研究生王佩江说,正在隐藏爱德曼的博士论文。

Edelman是这篇论文的高级作者,该论文出现在美国国家科学院院刊上,其他作者包括麻省理工学院研究科学家Nicola Ferralis,麻省理工学院材料科学与工程教授Jeffrey Grossman和爱尔兰国立大学戈尔韦工程Claire Conway教授。

微结构缺陷

可降解支架由称为聚-L-乳酸(pLLA)的聚合物制成,其也用于可溶解的缝合线。临床前试验(在实验室和动物模型中进行的研究)没有显示任何引起关注的原因。在人类患者中,支架在第一年出现稳定,但随后出现问题。三年后,超过10%的患者发生了心脏病发作,包括致命的心脏病发作,或者必须经过另一次医疗干预。这是金属支架患者的两倍。

在支架退出市场之后,团队决定试图找出是否有任何早期可能发现的警告标志。为此,他们使用拉曼光谱分析了支架的显微结构。这种技术利用光来测量分子振动中的能量变化,提供了有关材料化学成分的详细信息。 Ferralis和Grossman修改并优化了用于研究支架的技术。

研究人员发现,在微观层面,聚合物支架具有不均匀的结构,最终导致结构崩溃。尽管支架的外层具有由高度排列的聚合物制成的光滑结晶结构,但内核倾向于具有较少有序的结构。当支架充气时,这些区域被破坏,可能会导致结构部分的完整性丧失。

“因为不均匀的降解会导致某些位置的降解速度加快,所以会导致大的变形,从而可能导致流动中断,”Wang说。

当支架变形时,它们可以阻止血液流动,导致凝血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人员想出制造支架的替代方法,使他们可能消除一些结构不规则性。

一个沉默的问题

研究人员表示,早期未发现这些问题的另一个原因是许多临床前试验仅进行了大约六个月。在此期间,聚合物装置开始在微观水平上降解,但这些缺陷无法用科学家用于分析它们的工具检测到。直到很久以后才出现可见的变形。

“在这段时间里,他们并没有明显的侵蚀。问题是无声的,“Edelman说。 “但是到三年结束时,存在一个巨大的问题。”

研究人员认为,他们分析器件微观结构的新方法可以帮助科学家更好地评估新型支架以及其他类型的可降解聚合物器件。

“这种方法提供了一个工具,可以让你在很早的时候看到一个度量标准,告诉你后面会发生什么,”Edelman说。 “如果您事先了解潜在问题,您可以更好地了解动物模型和临床模型的安全问题。”

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:Pei-Jiang Wang等人,“Strain-induced accelerated asymmetric spatial degradation of polymeric vascular scaffolds”,PNAS,2018; DOI:10.1073 / pnas.1716420115

资料来源:MIT新闻办公室Anne Trafton

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