研究背景：
支架植入是一种治疗管腔疾病的常规方法。以血管为例，支架介入术每年都挽救了百万计血栓和血管狭窄患者的生命。对不同患者而言，个体的差异性和血管的复杂性要求支架具备与不同部位血管相匹配的尺寸和力学性能。随着近十年来增材制造技术的蓬勃发展，具有个性化的尺寸、结构和力学性能的支架制造技术逐渐成熟，有望引领医疗器械行业先进支架制造技术的发展方向。
血管支架从制备到服役期间会承受诸多应力，如支架部署后的残余应力及服役早期来自血液的剪切应力等，这些都会影响支架在服役期间的力学保持性。基于此，东南大学薛烽教授和白晶副教授带领的研究团队利用增材制造技术，以具有形状记忆特性的聚乳酸为原材料，制备了一种4D打印自膨胀外周血管支架，并研究了支架部署后在流动模拟体液环境下的早期降解行为及其对力学性能的影响（图1）
图1 4D 打印聚乳酸基外周血管支架自膨胀部署后在流动模拟体液环境下的失稳过程
研究结果：
研究团队参考了现有血管支架的形状设计，结合外周血管的尺寸特征，设计并利用增材制造技术制备了内径为6 mm，壁厚分别为0.2 mm\0.3 mm\0.4 mm的外周血管支架。通过对该血管支架的溶血和血小板富集水平进行的评价，证实了本研究所设计的外周血管支架具备良好的血液相容性（图2）。
图2 4D打印外周血管支架的设计、制备及血液相容性研究。
随后，结合结构力学理论分析手段，构建了4D打印外周血管支架径向支撑力与支架壁厚的数学模型，如图3所示。
图3 4D打印外周血管支架的径向支撑力与壁厚关系的数学模型
通过灵活利用玻璃态聚乳酸的形状记忆特性，团队对该4D打印外周血管支架进行了体外部署，并以亚洲成年男性外周血管血流参数为基准，搭建了血管支架体外降解的平台（图4）。
图4 4D打印外周血管支架的部署及体外降解平台的搭建。
以壁厚为0.3 mm的4D打印外周血管支架为代表，通过对其径向支撑力进行追踪，证实了该支架具有良好的形状记忆特性和抗疲劳能力。并利用有限元分析和对支架重复结构单元所受应力峰值处的微观结构表征，揭示了支架具有良好力学保持性的内在原因（图5-6）。
图5 部署后的残余变形和血管舒张疲劳加载对壁厚为0.3 mm的4D打印外周血管支架力学性能的影响及支架力学保持性的有限元和微观结构分析。
图6 玻璃态聚乳酸在不同部署温度下的存储模量变化及4D打印外周血管支架在60℃条件下产生50%应变时所受的平均Von-mises应力。
进一步地，通过对壁厚为0.3 mm的4D打印外周血管支架进行为其8周降解的力学性能追踪，并结合支架聚乳酸基体降解引起的微观结构特征变化，揭示了支架部署导致的残余应力和流场环境对支架重复结构单元水解的协同加速作用以及支架失稳本质（图7-8）。
图7 8周内4D打印支架的力学性能及聚乳酸基材的结晶特性变化。
图8 4D打印血管支架在不同部署状态及流场环境下支架重复结构单元的微观形貌演变。
《Biomaterials Science》（IF=6.843, JCR一区）为英国皇家化学学会（RSC）旗下的国际知名生物材料领域期刊。本论文以东南大学为唯一完成单位，东南大学博士生王先丽为第一作者；博士生张越、硕士生沈佩琦、博士生程兆俊、储成林教授、薛烽教授为本文共同作者；白晶副教授为本文通讯作者。相关工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省先进金属材料重点实验室开放研究基金等项目支持。
全文链接：
Wang X , Zhang Y , Shen P , Cheng Z , Chu C ，Xue F , Bai J . Preparation of 4D printed peripheral vascular stent and its degradation behavior under fluid shear stress after deployment. Biomaterials Science, 2022, 10, 2302-2314.
https://doi.org/10.1039/D2BM00088A