前言

    《皇帝內(nèi)經(jīng)素問》說：“心者，君主之官，神明出焉”。心臟主血脈和神志，其重要意義不言而喻。然而，隨著工作節(jié)奏的加快、生活壓力的增加、日常運動的減少和社會老齡化的凸顯，冠心病、動脈粥樣硬化、主動脈瓣狹窄和主動脈瓣反流等心臟疾病的占比日益增加，也愈發(fā)年輕化。等心臟病變，人的心情大多如此：花落水流紅，閑愁萬種，無語怨東風(fēng)！

    隨著科技的進(jìn)步，外科開胸手術(shù)首見療效，用于心臟病治療。但是其創(chuàng)傷較大，加之患者年齡和體質(zhì)的限制，常常有并發(fā)癥多、恢復(fù)難和致死率高等不足。本著敬畏生命和技術(shù)革新的宗旨，歷經(jīng)多年努力，以冠狀動脈支架、主動脈瓣瓣膜（如圖1）為核心的介入治療手術(shù)方興未艾，逐漸取代外科開胸手術(shù)，成為治療冠心病、主動脈瓣狹窄的“微創(chuàng)”選擇。

圖1 主動脈瓣瓣膜

（金屬支架+瓣葉）[1]

    眾所周知，水桶哪塊板子短，哪里就容易漏水，這就是水桶的短板效應(yīng)。金屬材料的腐蝕也是如此，哪里容易和介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或者電化學(xué)反應(yīng)，哪里就容易萌生腐蝕。支架的腐蝕不僅會造成表面損傷，誘發(fā)支架的疲勞斷裂，還會導(dǎo)致局部鎳（Ni）離子析出，產(chǎn)生生物毒性等危害身體健康的不良反應(yīng)。

    那么，植入心臟的金屬支架的腐蝕是如何發(fā)生、控制和預(yù)防的呢？

    1. 支架的選材和制造

    以鈣化性主動脈瓣狹窄為例，其顯著影響心臟主動脈瓣的血流速度和通量，嚴(yán)重時危及生命。

    主動脈瓣瓣膜支架不僅要有優(yōu)異的力學(xué)性能，如撐開病變（如鈣化狹窄）的血管，承受血管脈動引起的疲勞載荷（要求承受10年不少于3.8億次脈動疲勞載荷），而且還要有良好的生物相容性，如組織排異性小，耐腐蝕性好，金屬離子毒性小等。因此，支架材料經(jīng)歷了從奧氏體不銹鋼、鈷鉻合金到鈦鎳合金（Nitinol）的演變。

    特定成分的Nitinol經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，會產(chǎn)生早期支架材料所不具有的神奇性能——形狀記憶效應(yīng)和超彈性。形狀記憶效應(yīng)是高溫定形的Nitinol經(jīng)過低溫塑性變形裝入鞘管，輸送到病變血管后經(jīng)受血液加熱升溫，“記憶”恢復(fù)其高溫形狀的功能。超彈性是Nitinol中存在一種特殊的相變（應(yīng)力誘發(fā)馬氏體），使其最大可逆應(yīng)變可達(dá)8%的神奇特性，而一般的金屬材料其最大可逆應(yīng)變不超過0.2%。形狀記憶效應(yīng)有利于將大直徑的支架裝入小直徑的鞘管，超彈性既有利于支架在裝載和釋放過程中不發(fā)生塑性變形，也有利于實現(xiàn)脈動載荷下3.8億次的應(yīng)變疲勞壽命。

    陶藝是將黏土制胚、燒結(jié)、打磨和上釉而成的工藝，考驗制作者的審美和匠心。支架的制造也是如此！一枚小小的支架，需要先將Nitinol管材進(jìn)行激光切割，然后機(jī)械研磨、熱處理、噴砂，再進(jìn)行酸洗、電解拋光等處理。成形之后，還需要進(jìn)行外觀、尺寸、力學(xué)和化學(xué)性能的品質(zhì)檢查，最后滅菌、抗鈣化、消毒等，才能滿足植入人體的條件。

    像對待生命一樣，對待每一個支架產(chǎn)品，這是每一個研發(fā)、制造、品質(zhì)人員的使命和職責(zé)！

    2. Nitinol合金支架的腐蝕問題

    一般而言，電解拋光可以進(jìn)一步降低支架表面粗糙度，提高表面光潔度，增加表面耐腐蝕能力和生物友好性。然而，腐蝕是一個吉布斯自由能降低的過程，就如傾斜的圍墻，在條件具備的時候總能訇然坍塌，讓人措手不及。

    “君子不立于危墻之下”是孟子的智慧，其關(guān)鍵不是墻不能存在，也不是君子不能站在墻下？若如是，何來廣廈萬間，舉家幸福。其核心在于“危”！這也是材料腐蝕科學(xué)與技術(shù)最核心的著力點。

    成分、組織和處理工藝對金屬材料的腐蝕和壽命有重要的影響[2]。增加材料在特定介質(zhì)中的化學(xué)或者電化學(xué)穩(wěn)定性，使其在規(guī)定的壽命周期內(nèi)發(fā)生可預(yù)期、可控制和可接受的腐蝕，是腐蝕科學(xué)與技術(shù)的使命。雖然目標(biāo)是明確的，手段是多樣的，但是道路往往是曲折的，需要不斷努力。

    血漿是Nitinol支架植入體內(nèi)后的主要腐蝕介質(zhì)，其含有水、無機(jī)鹽、纖維蛋白原、白蛋白、球蛋白、酶、激素、各種營養(yǎng)物質(zhì)、代謝產(chǎn)物等，是一種復(fù)雜的生理電解質(zhì)。

    縱觀Nitinol支架的腐蝕研究成果和臨床反饋，重點考慮三種腐蝕形式：點蝕、電偶腐蝕和腐蝕疲勞。

    2.1 點蝕

    點蝕可以促進(jìn)支架疲勞斷裂的發(fā)生，也增加了Ni離子的氧化和離子釋放，可能誘發(fā)組織炎性反應(yīng)和癌變。

    1999年報道的Nitinol主動脈支架的嚴(yán)重腐蝕引起了醫(yī)療行業(yè)對腐蝕的警覺，圖2顯示出嚴(yán)重的點蝕形貌。失效分析發(fā)現(xiàn)：表面氧化膜厚約0.2~0.3um，陽極極化點蝕擊穿電位約280mV（SCE，下同）[3]。

圖2 Nitinol主動脈支架體內(nèi)服役5個月的點蝕形貌[3]

    經(jīng)過電解拋光的Nitinol支架表面會形成一層薄而致密的TiO2，其增加了與血液接觸的表層材料的電化學(xué)穩(wěn)定性，保護(hù)基體材料免受腐蝕；也作為一種理化反應(yīng)、物質(zhì)傳輸?shù)钠琳?，有效地避免了Ni的氧化和離子釋放。如果TiO2中存在一定量的Ni原子，會導(dǎo)致其耐腐蝕性下降，Ni離子釋放增加。

    Nitinol支架中的夾雜物不僅促進(jìn)疲勞裂紋的萌生，也會促進(jìn)點蝕的萌生，且夾雜物的尺寸對點蝕萌生影響大于數(shù)量；熱處理過程中產(chǎn)生的粗大析出相和帶狀偏析也會增加Nitinol支架材料的點蝕敏感性；電解拋光工藝對支架耐點蝕性能至關(guān)重要，但是當(dāng)前還處于技術(shù)保密階段。

    Nitinol支架的點蝕評價主要采用循環(huán)動電位極化的方法，ASTM F2129指出點蝕評價是一種敏感性評價，建議測試溶液為PBS模擬生理溶液，每批樣本量為7個，安全點蝕擊穿電位大于+600mV，不安全點蝕擊穿電位小于+300mV，介于+300~+600mV時需要增加樣本進(jìn)一步評價。

    令人欣喜的是，對經(jīng)過電解拋光的Nitinol支架進(jìn)行循環(huán)動電位極化點蝕敏感性測試，當(dāng)掃描電位高達(dá)+800mV時也不發(fā)生擊穿。研究還發(fā)現(xiàn)Nitinol支架在Hank's模擬生理溶液中點蝕擊穿電位約為316L不銹鋼的3倍，且顯示出持續(xù)的、瞬間的再鈍化能力。

    2.2 電偶腐蝕

    支架在植入體內(nèi)的過程中，需要借助顯影設(shè)備CT。為了提高支架的顯影性和定位性，常常在支架的掛耳位置增加顯影性更好的貴金屬，如鉑Pt，金Au，鉭Ta等。

    顯影點和支架之間會存在一定的電位差，在血漿中容易形成腐蝕電池，此時貴金屬顯影點為陰極，附近的支架材料為陽極，促使附近支架材料的活性溶解，產(chǎn)生電偶腐蝕和Ni離子溶出，甚至發(fā)生斷裂的風(fēng)險。

    在Hank's模擬血漿中，Ta與Nitinol的腐蝕電位比較接近，而Au和Pt比Nitinol電位更正，有誘發(fā)電偶腐蝕的風(fēng)險。因此，支架設(shè)計時需要在顯影點和基材之間添加絕緣層，或者用絕緣材料包裹貴金屬，這樣可以有效地控制電偶腐蝕的發(fā)生。

    2.3 腐蝕疲勞

    腐蝕介質(zhì)常常降低材料的疲勞極限，即腐蝕介質(zhì)對疲勞有明顯的促進(jìn)作用，Nitinol支架也不例外。準(zhǔn)確的講，支架在血漿中的疲勞應(yīng)該是腐蝕疲勞。

    美國食品藥品監(jiān)督管理局FDA、歐盟統(tǒng)一安全認(rèn)證CE、中國食品藥品監(jiān)督管理局CFDA和EN ISO 5840-3標(biāo)準(zhǔn)（心血管植入物-人工心臟瓣膜-第3部分：心臟瓣膜替代品經(jīng)導(dǎo)管植入技術(shù)）均明確提出：血管內(nèi)支架要有承受10年（心率72次/min）或3.8億次脈動疲勞載荷而不發(fā)生斷裂失效的能力。

    Nitinol材料在空氣、去離子水和Hank's模擬血漿中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率測試（37℃，R=0.1，f=10Hz）結(jié)果如圖3所示：Paris公式的冪常數(shù)為3.0、2.8、3.1，結(jié)果相對接近[4]。EN ISO 5840-3也指出Nitinol支架的疲勞裂紋擴(kuò)展速率對環(huán)境相對不敏感。

圖3 Nitinol在空氣、去離子水和Hank's溶液中的疲勞裂紋擴(kuò)展測試[4]

    然而，大多數(shù)支架的桿寬和壁厚約為幾百微米，穩(wěn)態(tài)腐蝕疲勞擴(kuò)展區(qū)往往不超過斷口面積的一半，所以其腐蝕疲勞壽命主要取決于裂紋的萌生。目前，切割、研磨、噴砂和擴(kuò)徑定形等表面機(jī)械損傷，酸洗、電解拋光等表面化學(xué)損傷（如點蝕坑）會增加局部表面應(yīng)力集中，促進(jìn)腐蝕疲勞裂紋萌生，且往往引起過早的疲勞斷裂。因此，企業(yè)在制造和品檢過程中會對支架的表面損傷進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

    3. Nitinol支架腐蝕的控制

    支架腐蝕的控制不能采用常規(guī)的陰極保護(hù)、犧牲陽極和添加緩蝕劑等措施，目前采用的耐腐蝕選料和表面處理（特別是電解拋光）配合的方法效果很好。

    耐腐蝕支架選材經(jīng)歷了從奧氏體不銹鋼、鈷鉻合金到Nitinol的發(fā)展，其耐腐蝕性能顯著提升。TiO2表面膜的耐腐蝕性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Cr2O3。夾雜物尺寸對點蝕萌生的影響大于夾雜物數(shù)量，因此需要在訂制管材時嚴(yán)格要求。

    在425~450℃進(jìn)行長時間的熱處理，會形成粗大析出相和較嚴(yán)重的帶狀偏析，這也會增加Nitinol支架的點腐蝕敏感性。良好的電解拋光是提高Nitinol支架耐點蝕的重要工藝，經(jīng)過有效的電解拋光，Nitinol支架表面形成薄而致密的TiO2膜，幾乎不含有Ni，其在37℃的Hank's溶液中擊穿電位可達(dá)+650mV，甚至達(dá)到+900mV，遠(yuǎn)大于316L不銹鋼的+400mV。

    需要注意的是：

    工藝研發(fā)過程中，不應(yīng)該片面追求通過提高電解拋光電位來提高表面光潔度，還應(yīng)重視耐腐蝕的性能。因為過高的拋光電位會增加表面膜的缺陷，導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生。

    4. 腐蝕的利用

    人們往往對金屬腐蝕現(xiàn)象嗤之以鼻，但是金屬的腐蝕難道真的一無是處？答案是否定的！

    除了長期放置在體內(nèi)的心臟支架（如主動脈瓣瓣膜支架）之外，有些支架（如冠狀動脈支架）在完成血管矯正塑形（血管在幾個月或者一年后恢復(fù)了正常的生理活性功能）后，其物理支撐作用的使命已完成，可以去除，但是外科手術(shù)目前難以做到，且較大創(chuàng)傷顯而易見。那么有什么妙招可以去除支架呢？

    腐蝕便是一個聰慧的手段。目前，很多冠狀動脈支架使用可降解的鎂鋅合金，通過在血漿中發(fā)生均勻腐蝕而溶解，產(chǎn)生的離子被人體吸收作為微量元素，產(chǎn)生的微小碎塊被巨噬細(xì)胞吞掉然后代謝，從而達(dá)到可降解去除的目的。這樣看來，腐蝕并不總是一副邪惡的面孔！

    5. 小結(jié)

    支架是多種心臟病的有效治療手段，通過微創(chuàng)傷介入治療，帶給了無數(shù)家庭“心”的希望。在每一枚承載希望的支架中，腐蝕仍然是需要長期關(guān)注的問題，它時而邪惡萬分，時而溫暖無限，有效利用其規(guī)律，分而治之很關(guān)鍵。

    雖然支架可救命，但是保養(yǎng)身體、延緩老化更重要。“法于陰陽，和于術(shù)數(shù)，食飲有節(jié)，起居有常，不妄作勞”是《皇帝內(nèi)經(jīng)》記載的養(yǎng)生智慧，讓我們一起行動起來吧！

    參考文獻(xiàn)

    [1] https://citoday.com/images/articles/2017-04/0417_aortic_fig4.png

    [2]王光輝。 異種金屬焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂和壽命評估[J]全面腐蝕控制。 2017 , 31 （5） :24-31.

    [3] Dieter Stoeckel, Alan Pelton, Tom Duerig. Self-expanding nitinol stents: material and design considerations[J]European Radiology, 2004, 14 （2）： pp 292–301.

    [4] AL Mckelvey, RO Ritchie. Fatigue-crack propagation in Nitinol, a shape-memory and superelastic endovascular stent material[J]Journal of Biomedical Materials Research, 2015 , 47 （3） :301-308.

    作者簡介：王光輝，男，1987年生，碩士，陜西西安人，致力于介入醫(yī)療器械、核電主設(shè)備用金屬材料的優(yōu)化與老化機(jī)理研究、失效分析和壽命評估，上海市腐蝕科學(xué)技術(shù)學(xué)會會員。

    E-mail：wanggh2010sh@163.com

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責(zé)任編輯：王元

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