前言

    《皇帝内经素问》说：“心者，君主之官，神明出焉”。心脏主血脉和神志，其重要意义不言而喻。然而，随着工作节奏的加快、生活压力的增加、日常运动的减少和社会老龄化的凸显，冠心病、动脉粥样硬化、主动脉瓣狭窄和主动脉瓣反流等心脏疾病的占比日益增加，也愈发年轻化。等心脏病变，人的心情大多如此：花落水流红，闲愁万种，无语怨东风！

    随着科技的进步，外科开胸手术首见疗效，用于心脏病治疗。但是其创伤较大，加之患者年龄和体质的限制，常常有并发症多、恢复难和致死率高等不足。本着敬畏生命和技术革新的宗旨，历经多年努力，以冠状动脉支架、主动脉瓣瓣膜（如图1）为核心的介入治疗手术方兴未艾，逐渐取代外科开胸手术，成为治疗冠心病、主动脉瓣狭窄的“微创”选择。

图1 主动脉瓣瓣膜

（金属支架+瓣叶）[1]

    众所周知，水桶哪块板子短，哪里就容易漏水，这就是水桶的短板效应。金属材料的腐蚀也是如此，哪里容易和介质发生化学或者电化学反应，哪里就容易萌生腐蚀。支架的腐蚀不仅会造成表面损伤，诱发支架的疲劳断裂，还会导致局部镍（Ni）离子析出，产生生物毒性等危害身体健康的不良反应。

    那么，植入心脏的金属支架的腐蚀是如何发生、控制和预防的呢？

    1. 支架的选材和制造

    以钙化性主动脉瓣狭窄为例，其显著影响心脏主动脉瓣的血流速度和通量，严重时危及生命。

    主动脉瓣瓣膜支架不仅要有优异的力学性能，如撑开病变（如钙化狭窄）的血管，承受血管脉动引起的疲劳载荷（要求承受10年不少于3.8亿次脉动疲劳载荷），而且还要有良好的生物相容性，如组织排异性小，耐腐蚀性好，金属离子毒性小等。因此，支架材料经历了从奥氏体不锈钢、钴铬合金到钛镍合金（Nitinol）的演变。

    特定成分的Nitinol经过适当的热处理，会产生早期支架材料所不具有的神奇性能——形状记忆效应和超弹性。形状记忆效应是高温定形的Nitinol经过低温塑性变形装入鞘管，输送到病变血管后经受血液加热升温，“记忆”恢复其高温形状的功能。超弹性是Nitinol中存在一种特殊的相变（应力诱发马氏体），使其最大可逆应变可达8%的神奇特性，而一般的金属材料其最大可逆应变不超过0.2%。形状记忆效应有利于将大直径的支架装入小直径的鞘管，超弹性既有利于支架在装载和释放过程中不发生塑性变形，也有利于实现脉动载荷下3.8亿次的应变疲劳寿命。

    陶艺是将黏土制胚、烧结、打磨和上釉而成的工艺，考验制作者的审美和匠心。支架的制造也是如此！一枚小小的支架，需要先将Nitinol管材进行激光切割，然后机械研磨、热处理、喷砂，再进行酸洗、电解抛光等处理。成形之后，还需要进行外观、尺寸、力学和化学性能的品质检查，最后灭菌、抗钙化、消毒等，才能满足植入人体的条件。

    像对待生命一样，对待每一个支架产品，这是每一个研发、制造、品质人员的使命和职责！

    2. Nitinol合金支架的腐蚀问题

    一般而言，电解抛光可以进一步降低支架表面粗糙度，提高表面光洁度，增加表面耐腐蚀能力和生物友好性。然而，腐蚀是一个吉布斯自由能降低的过程，就如倾斜的围墙，在条件具备的时候总能訇然坍塌，让人措手不及。

    “君子不立于危墙之下”是孟子的智慧，其关键不是墙不能存在，也不是君子不能站在墙下？若如是，何来广厦万间，举家幸福。其核心在于“危”！这也是材料腐蚀科学与技术最核心的着力点。

    成分、组织和处理工艺对金属材料的腐蚀和寿命有重要的影响[2]。增加材料在特定介质中的化学或者电化学稳定性，使其在规定的寿命周期内发生可预期、可控制和可接受的腐蚀，是腐蚀科学与技术的使命。虽然目标是明确的，手段是多样的，但是道路往往是曲折的，需要不断努力。

    血浆是Nitinol支架植入体内后的主要腐蚀介质，其含有水、无机盐、纤维蛋白原、白蛋白、球蛋白、酶、激素、各种营养物质、代谢产物等，是一种复杂的生理电解质。

    纵观Nitinol支架的腐蚀研究成果和临床反馈，重点考虑三种腐蚀形式：点蚀、电偶腐蚀和腐蚀疲劳。

    2.1 点蚀

    点蚀可以促进支架疲劳断裂的发生，也增加了Ni离子的氧化和离子释放，可能诱发组织炎性反应和癌变。

    1999年报道的Nitinol主动脉支架的严重腐蚀引起了医疗行业对腐蚀的警觉，图2显示出严重的点蚀形貌。失效分析发现：表面氧化膜厚约0.2~0.3um，阳极极化点蚀击穿电位约280mV（SCE，下同）[3]。

图2 Nitinol主动脉支架体内服役5个月的点蚀形貌[3]

    经过电解抛光的Nitinol支架表面会形成一层薄而致密的TiO2，其增加了与血液接触的表层材料的电化学稳定性，保护基体材料免受腐蚀；也作为一种理化反应、物质传输的屏障，有效地避免了Ni的氧化和离子释放。如果TiO2中存在一定量的Ni原子，会导致其耐腐蚀性下降，Ni离子释放增加。

    Nitinol支架中的夹杂物不仅促进疲劳裂纹的萌生，也会促进点蚀的萌生，且夹杂物的尺寸对点蚀萌生影响大于数量；热处理过程中产生的粗大析出相和带状偏析也会增加Nitinol支架材料的点蚀敏感性；电解抛光工艺对支架耐点蚀性能至关重要，但是当前还处于技术保密阶段。

    Nitinol支架的点蚀评价主要采用循环动电位极化的方法，ASTM F2129指出点蚀评价是一种敏感性评价，建议测试溶液为PBS模拟生理溶液，每批样本量为7个，安全点蚀击穿电位大于+600mV，不安全点蚀击穿电位小于+300mV，介于+300~+600mV时需要增加样本进一步评价。

    令人欣喜的是，对经过电解抛光的Nitinol支架进行循环动电位极化点蚀敏感性测试，当扫描电位高达+800mV时也不发生击穿。研究还发现Nitinol支架在Hank's模拟生理溶液中点蚀击穿电位约为316L不锈钢的3倍，且显示出持续的、瞬间的再钝化能力。

    2.2 电偶腐蚀

    支架在植入体内的过程中，需要借助显影设备CT。为了提高支架的显影性和定位性，常常在支架的挂耳位置增加显影性更好的贵金属，如铂Pt，金Au，钽Ta等。

    显影点和支架之间会存在一定的电位差，在血浆中容易形成腐蚀电池，此时贵金属显影点为阴极，附近的支架材料为阳极，促使附近支架材料的活性溶解，产生电偶腐蚀和Ni离子溶出，甚至发生断裂的风险。

    在Hank's模拟血浆中，Ta与Nitinol的腐蚀电位比较接近，而Au和Pt比Nitinol电位更正，有诱发电偶腐蚀的风险。因此，支架设计时需要在显影点和基材之间添加绝缘层，或者用绝缘材料包裹贵金属，这样可以有效地控制电偶腐蚀的发生。

    2.3 腐蚀疲劳

    腐蚀介质常常降低材料的疲劳极限，即腐蚀介质对疲劳有明显的促进作用，Nitinol支架也不例外。准确的讲，支架在血浆中的疲劳应该是腐蚀疲劳。

    美国食品药品监督管理局FDA、欧盟统一安全认证CE、中国食品药品监督管理局CFDA和EN ISO 5840-3标准（心血管植入物-人工心脏瓣膜-第3部分：心脏瓣膜替代品经导管植入技术）均明确提出：血管内支架要有承受10年（心率72次/min）或3.8亿次脉动疲劳载荷而不发生断裂失效的能力。

    Nitinol材料在空气、去离子水和Hank's模拟血浆中的疲劳裂纹扩展速率测试（37℃，R=0.1，f=10Hz）结果如图3所示：Paris公式的幂常数为3.0、2.8、3.1，结果相对接近[4]。EN ISO 5840-3也指出Nitinol支架的疲劳裂纹扩展速率对环境相对不敏感。

图3 Nitinol在空气、去离子水和Hank's溶液中的疲劳裂纹扩展测试[4]

    然而，大多数支架的杆宽和壁厚约为几百微米，稳态腐蚀疲劳扩展区往往不超过断口面积的一半，所以其腐蚀疲劳寿命主要取决于裂纹的萌生。目前，切割、研磨、喷砂和扩径定形等表面机械损伤，酸洗、电解抛光等表面化学损伤（如点蚀坑）会增加局部表面应力集中，促进腐蚀疲劳裂纹萌生，且往往引起过早的疲劳断裂。因此，企业在制造和品检过程中会对支架的表面损伤进行严格的控制。

    3. Nitinol支架腐蚀的控制

    支架腐蚀的控制不能采用常规的阴极保护、牺牲阳极和添加缓蚀剂等措施，目前采用的耐腐蚀选料和表面处理（特别是电解抛光）配合的方法效果很好。

    耐腐蚀支架选材经历了从奥氏体不锈钢、钴铬合金到Nitinol的发展，其耐腐蚀性能显著提升。TiO2表面膜的耐腐蚀性能远远优于Cr2O3。夹杂物尺寸对点蚀萌生的影响大于夹杂物数量，因此需要在订制管材时严格要求。

    在425~450℃进行长时间的热处理，会形成粗大析出相和较严重的带状偏析，这也会增加Nitinol支架的点腐蚀敏感性。良好的电解抛光是提高Nitinol支架耐点蚀的重要工艺，经过有效的电解抛光，Nitinol支架表面形成薄而致密的TiO2膜，几乎不含有Ni，其在37℃的Hank's溶液中击穿电位可达+650mV，甚至达到+900mV，远大于316L不锈钢的+400mV。

    需要注意的是：

    工艺研发过程中，不应该片面追求通过提高电解抛光电位来提高表面光洁度，还应重视耐腐蚀的性能。因为过高的抛光电位会增加表面膜的缺陷，导致腐蚀的发生。

    4. 腐蚀的利用

    人们往往对金属腐蚀现象嗤之以鼻，但是金属的腐蚀难道真的一无是处？答案是否定的！

    除了长期放置在体内的心脏支架（如主动脉瓣瓣膜支架）之外，有些支架（如冠状动脉支架）在完成血管矫正塑形（血管在几个月或者一年后恢复了正常的生理活性功能）后，其物理支撑作用的使命已完成，可以去除，但是外科手术目前难以做到，且较大创伤显而易见。那么有什么妙招可以去除支架呢？

    腐蚀便是一个聪慧的手段。目前，很多冠状动脉支架使用可降解的镁锌合金，通过在血浆中发生均匀腐蚀而溶解，产生的离子被人体吸收作为微量元素，产生的微小碎块被巨噬细胞吞掉然后代谢，从而达到可降解去除的目的。这样看来，腐蚀并不总是一副邪恶的面孔！

    5. 小结

    支架是多种心脏病的有效治疗手段，通过微创伤介入治疗，带给了无数家庭“心”的希望。在每一枚承载希望的支架中，腐蚀仍然是需要长期关注的问题，它时而邪恶万分，时而温暖无限，有效利用其规律，分而治之很关键。

    虽然支架可救命，但是保养身体、延缓老化更重要。“法于阴阳，和于术数，食饮有节，起居有常，不妄作劳”是《皇帝内经》记载的养生智慧，让我们一起行动起来吧！

    参考文献

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

    [2]王光辉。 异种金属焊接接头的应力腐蚀开裂和寿命评估[J]全面腐蚀控制。 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.

    作者简介：王光辉，男，1987年生，硕士，陕西西安人，致力于介入医疗器械、核电主设备用金属材料的优化与老化机理研究、失效分析和寿命评估，上海市腐蚀科学技术学会会员。

    E-mail：wanggh2010sh@163.com

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