综述：支架设计的多维优化以调控内皮剪切应力：通过几何结构与表面功能化策略减轻血栓形成和再狭窄

本综述系统阐述了通过支架几何结构优化（如减小梁厚度、流线型设计）和表面功能化策略调控内皮剪切应力（ESS），以抑制支架内再狭窄（ISR）和血栓形成（ST）的最新进展。文章重点探讨了计算流体动力学（CFD）模拟、光学相干断层扫描（OCT）引导的个性化设计以及促进内皮化的创新方法（如磁性纳米颗粒、微织构内壁）在优化血流动力学环境中的关键作用，为新一代血管支架的临床转化提供了重要理论依据和技术方向。

　　

1. 引言

心血管疾病（CVD）是全球首要死因，其共同的病理基础是动脉粥样硬化（AS）。尽管支架植入术能有效恢复血流，但长期来看，支架内再狭窄（ISR）和支架内血栓形成（ST）仍是影响患者预后的重大挑战。内皮剪切应力（ESS）——血流对血管内皮细胞（EC）施加的切向摩擦力，在维持血管稳态中扮演着核心角色。正常的ESS能促进内皮细胞的抗炎、抗血栓和抗增殖功能，而异常的ESS则会引发内皮功能障碍，进而导致AS。支架植入会显著改变局部的血流动力学环境，尤其是ESS的分布和大小，因此，深入探究支架设计如何调控ESS，对于阐明ISR和ST的机制、优化支架设计具有重大的理论和临床价值。

2. 内皮剪切应力与动脉粥样硬化

ESS是血流施加于血管内皮细胞的机械力。在健康的直动脉段，血流通常为稳定的层流，ESS较高且均匀（约15-30 dyn/cm²），这种层流剪切应力（LSS）能激活KLF2、Nrf2等转录因子，发挥抗动脉粥样硬化作用。而在血管弯曲、分叉处，血流易发生扰动，产生振荡剪切应力（OSS，约±4 dyn/cm²），OSS会激活NF-κB、MAPKs等促炎通路，诱导内质网应激和内皮细胞凋亡，从而促进AS的发生发展。低ESS会削弱一氧化氮（NO）依赖的血管保护作用，增加低密度脂蛋白胆固醇（LDL）的摄取和渗透性，并引发炎症反应，是AS的主动驱动因素。

3. 支架植入对内皮剪切应力分布的影响

支架植入改变了血管的原始几何形状，导致局部壁面剪切应力（WSS）分布发生显著变化。特别是在支架边缘和支架梁覆盖区域，ESS会显著降低，形成湍流。在湍流状态下，ESS值较低（1-4 dyn/cm²）且呈振荡性。这种不均匀的ESS分布会进一步诱导炎症反应和细胞增殖。基于计算流体动力学（CFD）的数值模拟和体外实验表明，优化支架设计可以显著改善ESS分布，减小低ESS区域的范围和程度。

4. 内皮剪切应力响应的信号转导

内皮细胞通过整合素、离子通道（如Piezo1、TRPV4）、G蛋白偶联受体（GPCR）和细胞骨架等机械传感器感知ESS的变化。这些传感器被激活后，会启动下游的信号级联反应，如PI3K/Akt通路（促进细胞存活和eNOS活化）、Nrf2通路（抗氧化应激）和MAPK通路（调控细胞增殖分化）。异常的ESS会降低Klf2通路活性，下调抗炎、抗血栓基因的表达，从而促进新生内膜增生、血管重塑和血栓形成，最终可能导致ISR。

5. 内皮剪切应力对支架植入后血管的影响

5.1. 对血管血栓形成的影响

支架植入过程中会造成内皮损伤，暴露内皮下基质，激活血小板。血管性血友病因子（VWF）在剪切力作用下与血小板GPIbα结合，尤其在病理性的高剪切率（>1000 s^-1）下，会强力启动血小板栓子形成。而层流则有利于内皮细胞释放NO和前列环素等抗血栓因子，抑制血小板活化。因此，支架植入后形成的异常ESS环境（如低ESS区域的血液淤滞，或高ESS区域的细胞损伤）极大地增加了血栓风险。

5.2. 对支架内再狭窄的影响

正常的ESS能抑制平滑肌细胞（SMC）的迁移和增殖。支架植入后，血流在支架梁上游形成高ESS区，下游形成低ESS区。低ESS可诱导内皮功能障碍，促进NF-κB、IL-6等炎症因子释放，加速SMC迁移和新生内膜增生。同时，低ESS还会增加血管壁通透性，促进脂质沉积和巨噬细胞浸润，加剧再狭窄。此外，异常的ESS也会阻碍支架表面的内皮化进程，不完全的内皮覆盖会进一步增加血栓风险。

6. 支架结构因素对内皮剪切应力的影响

支架的几何设计参数，如厚度、形状、长度、梁间距和贴壁情况，对植入后的ESS分布有决定性影响。

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  厚度：更厚的支架梁会加剧血流扰动和分离，显著增加血管内低ESS的面积，从而提升血栓和再狭窄风险。
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  形状：流线型支架相较于非流线型支架，能显著减少其尾部的血流分离区，降低低ESS区域，更有利于内皮化。
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  长度：过长的支架可能在其两端产生低ESS区域，增加再狭窄风险。需要根据病变长度精确选择支架。
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  间距：支架梁间距过小会限制血流，产生湍流和涡流，形成低ESS区；间距过大则可能导致支架与血管壁接触不良，形成血液停滞区。优化间距有助于改善血流动力学。
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  贴壁不良：当支架梁未能与血管壁紧密贴合时，会形成间隙，血液在其中淤滞，导致局部ESS近乎为零，极易形成血栓。

7. 基于内皮剪切应力的支架设计策略

7.1. 基于光学相干断层扫描的计算流体力学支架设计

将OCT获取的高分辨率血管三维形态与CFD模拟相结合，可以构建患者特异性的血管模型，预先模拟不同支架设计（不同厚度、形状等）植入后的ESS分布，从而为选择最优支架、实现个性化精准治疗提供科学依据。研究表明，这种OCT-CFD融合设计能显著减少低ESS暴露面积。

7.2. 促进内皮化的支架设计

促进快速、健康的内皮化是降低ISR和ST的关键。除了药物洗脱支架（DES）通过释放抗增殖药物抑制SMC过度增生外，新兴策略包括：利用磁性纳米颗粒（MNP）在外部磁场作用下富集内皮细胞至支架表面；通过表面改性（如阳极氧化处理Ni-Ti合金）增加支架的亲水性，促进内皮细胞黏附增殖；以及抑制Rho相关蛋白激酶等方法来加速内皮化进程。

7.3. 微织构内壁支架设计

受仿生学启发，在支架内壁设计微观织构（如仿鱼鳞结构）可以降低血流阻力，增加血流速度，使ESS分布更接近生理状态。这种微环境有利于内皮细胞的黏附、迁移和增殖，同时还能抑制血小板黏附，展现出良好的生物相容性潜力。

8. 血管内成像在支架优化中的作用：IVUS与OCT

血管内超声（IVUS）和OCT是指导经皮冠状动脉介入治疗（PCI）的重要工具。IVUS具有组织穿透力强的优点，可用于评估血管壁、斑块负荷和血管重构。OCT则具有极高的分辨率，能清晰显示管腔轮廓、斑块形态以及支架梁的贴壁、组织覆盖情况等细节。两者结合，可在术前精确测量病变长度和参考血管直径，指导选择合适的支架；在术后评估支架植入效果，确保理想的贴壁和扩张，为优化ESS分布提供直观的影像学保障。

9. 临床展望与结论

将ESS调控理念转化为临床实践，未来方向是个性化支架选择和下一代支架平台的开发。基于IVUS/OCT和CFD的模拟可实现“量体裁衣”式的支架选择。下一代支架平台将聚焦于超薄梁支架和生物可吸收支架。超薄梁能最小化血流扰动，改善ESS；生物可吸收支架在完成支撑使命后完全降解，避免了金属支架的长期留存风险，允许血管恢复其生理舒缩功能。最终，通过多学科交叉合作，实现支架短期植入的“适宜性”和长期与血管共存的“和谐性”，是重建血管生态平衡、提升患者远期预后的关键。