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生物醫(yī)學(xué)工程是生命科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)相對(duì)較新但頗具前景的分支，其將材料、器械、設(shè)計(jì)和解決問(wèn)題的工程與醫(yī)學(xué)和生物科學(xué)相結(jié)合，旨在改善診斷、植入、監(jiān)測(cè)和治療等醫(yī)療治療效果。當(dāng)前，心血管疾病嚴(yán)重威脅著人類(lèi)身體健康，每年造成的死亡人數(shù)已超過(guò)1770萬(wàn)人。近年來(lái)，植入材料及器械，特別是微創(chuàng)介入材料及器械，已成為治療心血管疾病的最有效的工具，如血管支架、藥物洗脫球囊、心臟瓣膜、心臟封堵器、人工血管、可注射抗心衰水凝膠和左心室輔助裝置等。

中國(guó)工程院院刊《Engineering》2021年第12期刊發(fā)四川大學(xué)王云兵教授的《心血管植入材料及器械的研究與進(jìn)展》一文。文章探討了各種心血管植入材料和器械在有效治療心血管疾病中的應(yīng)用，如血管支架、藥物洗脫球囊、心臟瓣膜、心臟封堵器、人工血管和可注射抗心衰水凝膠。文章指出，新型心血管材料和心血管微創(chuàng)介入技術(shù)的發(fā)展將為心血管疾病的治療提供強(qiáng)有力的解決方案。為尋求更優(yōu)的治療方案，文章還指出了未來(lái)進(jìn)一步研究的方向。

心血管疾病（CVD）是全球主要的死亡原因，每年造成的死亡人數(shù)已超過(guò)1770萬(wàn)人。中國(guó)心血管疾病患者已達(dá)3.3億人，占疾病死亡總?cè)藬?shù)的43%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于癌癥和其他疾病。冠心病（CHD）和結(jié)構(gòu)性心臟病（SHD）是臨床常見(jiàn)的高風(fēng)險(xiǎn)心血管疾病。近年來(lái)，植入材料及器械，特別是微創(chuàng)介入材料及器械，已成為治療心血管疾病的最有效的工具，其中主要包括血管支架、藥物洗脫球囊、心臟瓣膜、心臟封堵器、人工血管、可注射抗心衰水凝膠和左心室輔助裝置（LVAD）等。

心血管支架和藥物洗脫球囊

與裸金屬支架（BMS）相比，藥物洗脫支架（DES）成功地降低了再狹窄（ISR）發(fā)生率，目前已廣泛用于冠心病（CHD）的治療。然而，長(zhǎng)期臨床結(jié)果表明，DES仍存在晚期或極晚期血栓形成及再狹窄等不良并發(fā)癥發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。DES涂層中抗增生藥物的局部釋放在抑制平滑肌細(xì)胞過(guò)度增殖的同時(shí)，也會(huì)引起內(nèi)皮細(xì)胞愈合延遲，最終導(dǎo)致新生內(nèi)膜表面內(nèi)皮層不完整和內(nèi)皮功能失調(diào)。血管支架的骨架材料及表面涂層的創(chuàng)新研究不斷推動(dòng)著DES的發(fā)展。在表面涂層方面，研究人員目前專(zhuān)注于優(yōu)化出具備更加理想藥物釋放的載藥涂層或開(kāi)發(fā)可以模擬內(nèi)皮細(xì)胞功能的新型涂層。對(duì)支架骨架材料而言，非降解支架的永久殘留會(huì)導(dǎo)致持續(xù)的炎癥反應(yīng)，使血管難以恢復(fù)其生理脈動(dòng)功能。由生物可吸收的聚合物或金屬制備的生物可吸收血管支架（BVS）具備促進(jìn)血管功能再生恢復(fù)的潛力，成為DES的未來(lái)發(fā)展方向。目前關(guān)于BVS的研究集中在通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得足夠徑向支撐強(qiáng)度、更小厚度及輪廓尺寸的支架筋結(jié)構(gòu)。然而不容忽視的是，現(xiàn)有DES所采用的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，如要求獲得盡可能薄的新生內(nèi)膜，可能并不適用于BVS的設(shè)計(jì)。植入BVS后，如果新生內(nèi)膜厚度過(guò)薄，支架降解破碎時(shí)，一旦有少量BVS碎片掉入血管，就有可能導(dǎo)致血栓形成等不良事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在開(kāi)發(fā)BVS時(shí)，應(yīng)保證形成的新生內(nèi)膜覆蓋支架植入部位，以便在降解過(guò)程中避免支架降解碎片脫落，并促進(jìn)血管愈合。

除支架以外，針對(duì)DES的不足，藥物洗脫球囊（DEB）也是治療冠心病的手段之一。DEB無(wú)需使用支架，從而可以避免因支架使用帶來(lái)的各種潛在的不良事故發(fā)生。不過(guò)，盡管DEB在臨床上已取得了較好的效果，但由于球囊擴(kuò)張時(shí)間較短（30~60 s），藥物從球囊表面輸送到管腔病變部位的效率通常較差。因此，迫切需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)藥物遞送新技術(shù)，以提高DEB的治療效果。

人工心臟瓣膜

心臟瓣膜疾病是一種常見(jiàn)的心臟疾病，人工心臟瓣膜置換術(shù)已成為治療該類(lèi)疾病的最佳方案。近年來(lái)，心臟瓣膜置換手術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)已由外科開(kāi)胸手術(shù)向生物瓣膜微創(chuàng)介入手術(shù)轉(zhuǎn)變。目前商業(yè)化的生物心臟瓣膜大多由戊二醛處理的豬或牛心包等異種組織制成，但該類(lèi)瓣膜存在毒性的醛基殘留，易發(fā)生瓣膜鈣化、微血栓形成、免疫排斥反應(yīng)、內(nèi)皮細(xì)胞黏附困難等缺陷，造成其使用壽命較短，僅有10年左右。此外，生物心臟瓣膜需浸泡在戊二醛溶液中的保存方式也進(jìn)一步限制了其使用性能。

目前該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)是通過(guò)更優(yōu)的策略從根本上提升人工心臟瓣膜材料的綜合性能，其中包括：

①具有抗鈣化和抗血栓性能的戊二醛交聯(lián)瓣膜改性策略；

②生物相容性更優(yōu)的新型非戊二醛交聯(lián)生物瓣膜；

③心臟瓣膜材料的干態(tài)保存；

④合成高分子瓣膜材料及低免疫原性的新型瓣膜材料。

目前人工瓣膜主要應(yīng)用于主動(dòng)脈瓣，預(yù)計(jì)將逐步擴(kuò)展到肺動(dòng)脈瓣、二尖瓣、三尖瓣和靜脈瓣等瓣膜的臨床使用。值得注意的是，在開(kāi)發(fā)靜脈瓣膜時(shí)，需采用更為高效的抗凝策略，以克服靜脈瓣膜在使用過(guò)程中的高血栓形成風(fēng)險(xiǎn)。此外，利用細(xì)胞外基質(zhì)材料和生物可降解合成材料制備的組織工程瓣膜，有望實(shí)現(xiàn)瓣膜的功能重建及瓣膜再生，也是未來(lái)重要的研究方向之一。

心衰治療

全球有超過(guò)2600萬(wàn)比較嚴(yán)重的心力衰竭（心衰）患者，患者住院后5年內(nèi)的死亡率高達(dá)42.3%。目前，心衰已成為全球人口死亡的主要原因。傳統(tǒng)治療心衰的手段主要包括藥物治療（如血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑和利尿劑）和手術(shù)治療（如心臟再同步治療和左心室輔助裝置）。這些療法通常難以逆轉(zhuǎn)心肌壞死和心臟功能障礙，而僅是減輕心衰癥狀。心臟移植目前仍是恢復(fù)患者心臟功能的唯一有效的治療方法。然而，心臟捐獻(xiàn)者數(shù)量極其稀少，而且心臟移植手術(shù)復(fù)雜、難度高，限制了心臟移植在心衰治療中的應(yīng)用。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)創(chuàng)新、有效的心衰治療新方法。

近年來(lái)，用于心衰治療的生物材料，由于其促進(jìn)心肌組織再生和恢復(fù)心臟功能的特點(diǎn)，治療效果良好，受到越來(lái)越多的關(guān)注。用于心衰治療的生物材料主要為心肌補(bǔ)片和可注射水凝膠兩種應(yīng)用形式。心肌補(bǔ)片是在開(kāi)胸手術(shù)后通過(guò)自粘連或縫合將聚合物貼片或水凝膠固定在患者心臟表面。與心肌補(bǔ)片相比，經(jīng)導(dǎo)管微創(chuàng)介入可注射水凝膠手術(shù)操作簡(jiǎn)單、創(chuàng)傷小、對(duì)心臟功能恢復(fù)效果更好。目前，基于海藻酸鹽或細(xì)胞外基質(zhì)的可注射水凝膠已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。根據(jù)Laplace定律，壁應(yīng)力與壁厚成反比，注射入心室壁的水凝膠可通過(guò)增加壁厚，減輕心室壁所受應(yīng)力。基于可注射水凝膠主體，還可以在水凝膠中引入細(xì)胞或生物活性分子，以增強(qiáng)水凝膠促進(jìn)心肌細(xì)胞再生、調(diào)節(jié)炎癥、增強(qiáng)血管生成或抑制受損心肌纖維化的能力。然而，目前的心衰治療水凝膠大多功能單一，不能完全滿(mǎn)足治療心衰這一復(fù)雜臨床綜合征的需求。因此，開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足心肌修復(fù)和心功能恢復(fù)各項(xiàng)要求的多功能可注射水凝膠仍是一大挑戰(zhàn)。目前針對(duì)心衰治療的前沿研究還包括機(jī)械人工心臟、細(xì)胞化或無(wú)細(xì)胞化的具有心臟天然結(jié)構(gòu)的三維打印聚合物人工心臟和脫細(xì)胞人工心臟等。人工心臟的發(fā)展將有望緩解心臟供體嚴(yán)重不足的問(wèn)題，滿(mǎn)足更多心衰患者對(duì)心臟移植的需求。

心臟封堵器

先天性心臟病主要是指新生兒或兒童因心臟發(fā)育異常所導(dǎo)致的心臟缺陷。在各類(lèi)先天性心臟病中，腔壁或血管壁缺損是最為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)性心臟缺陷，其在新生兒中的發(fā)病率接近1%，全球每年新增患者高達(dá)140萬(wàn)例。先天性心臟病的常見(jiàn)類(lèi)型包括室間隔缺損、房間隔缺損、動(dòng)脈導(dǎo)管未閉和卵圓孔未閉等。經(jīng)導(dǎo)管心臟封堵器無(wú)需進(jìn)行開(kāi)胸手術(shù)，是治療此類(lèi)心臟結(jié)構(gòu)性缺陷的最有效的方式。目前商業(yè)化的心臟封堵器由不可降解的鎳鈦合金網(wǎng)和聚合物阻流膜組成，將其植入人體后，因金屬材料永久殘留在心臟部位，有可能增加長(zhǎng)期并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)，如內(nèi)皮化遲緩、血栓形成、磨損和穿孔，甚至出現(xiàn)致命的晚期房室傳導(dǎo)阻滯等。生物可降解封堵器是解決此類(lèi)問(wèn)題的最佳方案，其可作為臨時(shí)骨架引導(dǎo)心臟組織的再生，并在缺陷被新生組織替代后被人體組織逐漸吸收，最終恢復(fù)心臟功能重構(gòu)。

人工血管

人工血管是冠狀動(dòng)脈搭橋手術(shù)和動(dòng)靜脈瘺管的有效替代品，其在心血管醫(yī)用材料領(lǐng)域占有重要的地位。人工血管的血液相容性和力學(xué)相容性是其植入后能否成功服役的一些關(guān)鍵因素。由聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）和膨體聚四氟乙烯（ePTFE）制備的大口徑人工血管（>6 mm）在臨床上已得到廣泛應(yīng)用。然而，小口徑人工血管仍存在低血流速度導(dǎo)致的吻合處血栓形成和血管內(nèi)膜增生等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足臨床需求。小口徑人工血管的開(kāi)發(fā)仍面臨挑戰(zhàn)，科學(xué)家正在研究各種技術(shù)突破人工小血管研究面臨的瓶頸。從傳統(tǒng)材料到智能材料，從異種脫細(xì)胞材料到組織工程支架材料，從靜電紡絲制造到3D打印產(chǎn)品，目前科研工作者已為小口徑人工血管的研發(fā)開(kāi)發(fā)了各種各樣的材料。不過(guò)迄今為止，所有人工血管都是通過(guò)外科手術(shù)方式植入的，未來(lái)這可能會(huì)成為其在臨床上廣泛應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵限制因素。因此，開(kāi)發(fā)人工血管的微創(chuàng)植入技術(shù)是未來(lái)值得探索的一個(gè)方向。

結(jié)論

新型心血管材料和心血管微創(chuàng)介入技術(shù)的發(fā)展為心血管疾病的治療提供了強(qiáng)有力的解決方案。為尋求更優(yōu)的治療方案，未來(lái)的進(jìn)一步研究可遵循以下原則：①研發(fā)具有優(yōu)異組織再生性能的心血管材料；②研發(fā)體積更小和性能更優(yōu)的智能植入器械；③爭(zhēng)取為患者提供更多的智能或精確治療方案。在上述創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，將會(huì)為心血管疾病患者提供更為先進(jìn)和更加有效的治療方案。