3D打印拉胀超材料支架在冠状动脉治疗中增强机械性能与生物相容性的研究

本研究针对传统血管支架存在的径向扩张不足、弹性回缩(dog-boning)等问题，通过融合箭头形(arrowhead)与缺肋型(missing rib)几何结构设计新型拉胀(auxetic)支架单元，采用熔融沉积成型(FDM)3D打印技术制备。实验显示优化支架的弹性回缩率(2.43%)和径向扩张率(9.03%)显著优于传统支架，为冠状动脉疾病治疗提供了具有负泊松比(NPR)特性的创新解决方案。

　　

在心血管疾病治疗领域，传统金属支架长期面临机械性能与生物相容性的双重挑战。当血液流经狭窄的冠状动脉时，传统支架的刚性结构可能导致血管壁损伤、弹性回缩(recoil)甚至再狭窄(restenosis)。更棘手的是，这些支架在扩张时会产生"狗骨效应"(dog-boning)——两端过度膨胀而中部扩张不足，就像被拉伸的橡皮筋中间变细那样。面对这些难题，科学家将目光投向具有负泊松比特性的拉胀材料(auxetic materials)，这类材料在拉伸时会横向膨胀，就像拉开百叶窗时窗帘宽度反而增加的神奇现象。

为突破传统设计局限，研究人员开展了一项开创性研究，成果发表在《Acta Biomaterialia》。该团队设计出融合箭头形(arrowhead)与缺肋型(missing rib)几何的混合拉胀结构，通过熔融沉积成型(Fused Filament Fabrication, FFF)3D打印技术制备支架原型。这种制造方法不仅成本低廉，还能实现复杂结构的精确成型。研究采用有限元分析(FEA)与实验测试相结合的方式，系统评估了支架的径向扩张(expansion)、弹性回缩(recoil)、缩短率(foreshortening)等关键参数。

在材料与方法部分，研究主要运用三项核心技术：1)基于计算机辅助设计(CAD)的混合拉胀单元结构优化；2)熔融沉积3D打印成型技术；3)结合数字图像相关(DIC)技术的力学性能测试体系。通过参数化建模调整结构宽度、角度等变量，确保支架具备理想的负泊松比特性。

【Results and discussion】部分揭示了多项重要发现：

1. 力学性能方面，最优支架展现出3.27%的缩短率(foreshortening)和9.03%的径向扩张率，显著优于传统设计。这种特性源于拉胀结构独特的变形机制——当轴向拉伸时，单元结构的铰接点产生旋转，促使横向尺寸同步增加。
2. 抗变形测试显示支架仅产生2.43%的弹性回缩(recoil)，这意味着植入后能更好地维持血管通畅。对比实验证实，该数值较商业支架降低约40%，如同在血管内放置了一个"记忆弹簧"。
3. 表面覆盖分析获得1.65 mm的标准化表面积，这种均匀的孔隙分布有利于内皮细胞生长，同时确保足够的药物洗脱能力。

【Conclusions】部分强调，这种混合拉胀支架通过独特的几何设计实现了机械性能的突破：其负泊松比特性(-0.89)使支架在扩张时能自适应血管曲率，5.77%的狗骨效应值(dog-boning)仅为传统支架的1/3。研究还发现扩张率与回缩率存在显著负相关(r=-0.82)，表明结构优化可同步改善这两个关键参数。这些发现不仅为心血管介入治疗提供新选择，其设计原理还可拓展至组织工程支架(tissue engineering scaffolds)等领域。

该研究的创新性体现在三方面：首次将箭头形-缺肋型混合结构应用于血管支架；建立3D打印拉胀支架的标准化性能评价体系；揭示结构参数与临床性能的定量关系。正如研究者Rezgar Hasanzadeh等指出，这种超材料支架(metamaterial stent)代表着"智能医疗植入物"的发展方向——既能像智能弹簧般适应血管搏动，又可作为药物载体精准释放治疗剂。未来通过生物可降解材料的结合，这类支架或将成为攻克血管再狭窄难题的利器。