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医疗器械制造展Medtec浅谈密网支架的设计

2024-06-28

这次医疗器械制造展Medtec小编将和大家讨论一下密网支架的相关话题。在过去的10年内,血流导向装置(FDs)由于其出色的安全性和动脉瘤闭塞率如今已经发展成为一个治疗颅内动脉瘤的标准化方法。近两年,国内关于密网支架的研发进入了巅峰阶段。从2020年到2024年间,密网支架上市的数量成井喷式上升。

从2018年左右Pipeline在中国逐步开始推广到如今,市场中已经有近9款密网支架上市了。

但是对于密网支架,小编认为每个密网支架都有自己独特的设计,新的产品也考虑解决了很多临床使用中面临的各种问题。

这次小编就2023年12月28日于《美国神经放射学杂志》发表的《关于血流导向装置设计入门》的文章结合在国内上市的不同密网支架的设计特点,尺寸型号,适配性等多维度给大家做个总结分析。如有错误,欢迎批评指正。

#01  密网支架(FD) 的治疗原理

一直以来,在颅内动脉瘤治疗领域,常规使用的方法是弹簧圈栓塞,或者球囊/支架辅助弹簧圈栓塞。这种治疗方法从上世纪90年代至今,经历了近30余年。密网支架的理念从新世纪初开始提出,确实是颠覆了颅内动脉瘤治疗传统的治疗方案。

通用术语“血流导向装置/密网支架”描述了覆盖动脉瘤/载瘤动脉界面以实现动脉瘤闭塞的手术器械。

在支架释放后的初期,密网支架会在一定程度导致一部分血流从动脉瘤中分流进入载流动脉中,否则这些血液则会进入动脉瘤内造成动脉瘤增大甚至破裂。支架释放后随着时间的推移,内皮细胞等组织将会沿着支架在动脉瘤颈生长,最终使得动脉瘤完全闭塞,从而阻断所有血流进入到动脉瘤囊内。

此外,现在主要的分流装置分为两类,一类是今天讨论的腔内分流,也就是血流导向装置/密网支架,另一种是改日有机会再讨论的囊内扰流装置(例如WEB)。

一般来说,FD是放置在动脉瘤颈上方载瘤动脉中的编织物或编织支架。这类装置的目的是转移大部分流经动脉瘤的血流,导致动脉瘤囊内的血流停滞和凝固。这种分流以及其由此产生的动脉瘤内血淤,理论上在动脉瘤腔内形成血栓塞。阻碍血液流入动脉瘤。同时该装置充当动脉瘤颈上内皮化和新内膜生长的“脚手架”。从而也实现了载瘤动脉的重建,降低了动脉瘤复发再通的风险。

密网支架释放后的血管内皮化

有种很形象的比喻,如果动脉瘤是高速公路上的一个坑,那么常规的治疗方案是在高速公路的坑中填上沥青,让整个路面平整,哪里有坑填哪里。但是对于密网支架,好比是在原有的高速公路上重新铺了一条新的路面,使得整个高速公路平整。

#02  理想的密网支架   

理想的密网支架需要达到的目标包括:

(1)释放简单

(2)最大限度抑制动脉瘤囊内血流

(3)促进动脉瘤颈快速内皮化,新内膜形成

(4)最大限度降低并发症

     为满足以上目标,理想的密网支架需要有以下特性

医疗器械制造展Medtec现场不仅有国内外知名部件供应商参展,并且还有丰富的球囊产品展示,同时展会现场将同期举办技术论坛E:医疗器械诞生的助推器——创新医用材料/配件及精加工,本次会议将结合生物医用材料、精密配件及生产中精密的加工工艺在医疗器械中的应用为器械生产商和供应商提供交流平台。现在预登记限时免费>>>

1.良好的贴壁性

    首先,释放后优化FD与载瘤动脉的贴合有利于抑制囊内血流的抑制以及内皮细胞增生。此外FD贴壁有利于降低支架内血栓,穿支动脉闭塞和再狭窄的风险。

其次通过改变FD的柔顺性有利于密网支架贴壁。但是在一些案例中,不得不考虑支架的径向支撑力。在较直的血管中,径向支撑力理论上会使支架更紧密的贴合血管壁。但是在迂曲血管中,支架的柔顺性相比径向支撑力更能保持血管贴壁。因此贴壁性是众多因素考虑的结果。

2. 更低的并发症发生率

    包括最小化支架内血栓以及穿支闭塞风险

3. 操作的便利性

    例如可以通过更小内径(ID)的微导管释放,这样有利于支架释放到更远端或者更迂曲的血管中。常见的密网支架释放标准是0.027英寸微导管,理想的FD应该是通过这种大小或者更小的微导管释放。另外尽可能减低推送力。

4. 合适的放射对比度

    合适的放射对比度包含了手术过程中支架的显影性,也包含了后期手术结束后或在随访中不影响MRI和CT成像

#03   密网支架的设计参数

一般来说,密网支架通过一组36-96股的金属丝编织在同心轴上并对其进行热处理以锁定其形状来进行制造。热处理过后移除同心轴,留下被切割成所需长度的金属网管。在固定金属网管尾部其松散的金属丝后,添加不透射线标记和/或处理装置表面来进一步处理装置。最后该材料被装载到推送系统中。

虽然整体制作流程和一般结构在概念上很简单,但很多密网支架的设计参数,包括金属丝直径,编织股数,材料选择等。这些参数都会改变材料的性能。其中一个设计参数对密网支架的某些特性会产生正面影响,同时会对另一个方面产生负面影响。密网支架工程师的任务是选择合适的参数以达到优化治疗的目的。而临床介入医生认为最重要的是找到产品特性和对应临床结果的平衡点。

上表表示了设计参数(纵轴)和密网支架性能(横轴)之间的关系。绿色箭头或红色箭头表示在设备性能和安全性方面有利或者不利的关系。黑色水平箭头表示设计参数和性能特征之间的独立性或多因素关系。A.改进的打开力假设编织丝在微导管内受到拉力后不会发生塑形变形,从而使得支架能够完全恢复打开;B.血管内贴壁的因素是复杂的,取决于诸多变量,包括载瘤动脉的迂曲程度。

#04  密网支架编织的几何参数

有很多的密网支架几何参数可供工程师调整。

第一,是密网支架编织层内的金属丝直径

增加金属丝直径会增加材料的整体强度,从而提高打开力和径向支撑力。然而这种打开力的增加是以牺牲材料需要更大推送力的特性为代价的。并且可能会需要更大内径的微导管输送。较大的金属丝直径可能会增加内皮化延迟和血栓栓塞的风险。

市场常见的密网支架金属丝直径在18-35微米(即0.0007-0.0010英寸)

第二,是密网支架编织层内的编织股数

和金属丝直径相同,增加编织股数会增加密网支架的打开力,但会以牺牲输送性为代价。同时也可能需要更大内径的微导管。例如Pipeline Vantage,较大尺寸采用64股金属丝编织,并通过0.027英寸微导管释放,其小型号采用48股金属丝编织,可以通过0.021英寸微导管释放。

更多的编织股数有利于动脉瘤瘤颈的内皮化,但是同样会带来更高的穿支闭塞风险和血栓栓塞风险。

市场中常见的编织股数包括48-64股。

第三,是密网支架的PPI

那么首先先明确一个概念,什么是PPI?

PPI (Pics per Inch),每英寸点数,其定义为沿器械长度,每英寸的金属丝交叉数。PPI可以通过增加编织股数来调整,也可以改变编织角度来调整。

如下图左和图中所示,当编织角度θ越大,那么相同编织股数下,PPI则会越大。如图左和图右对比,当编织角度θ相同时,编织股数越多,那么PPI也会越大。

编织角度增加可以使得PPI增加,从而可以改善支架的贴壁性,增加支架的打开力。编织股数的增加同样可以做到以上两点,但是我们需要注意,较高的PPI除了会促进动脉瘤瘤颈的内皮化外,也会增加穿支闭塞和血栓形成的风险。

同样,制造密网支架的过程中也可以使用多层编织的结构,理论上增加的层数会增加打开力,但可能需要更大内径的微导管。增加层数的主要目的是可以“人为”增加PPI,并通过在动脉瘤瘤颈处覆盖更多的支架金属丝以改善血流导向的能力。多层结构可以增加动脉瘤内血流的致栓性,同时增加动脉瘤瘤颈处的内皮化能力。

但是多层结构导致的PPI增加,除了会增加血栓事件的风险,堆叠的金属丝可能会导致额外的层与层之间贴壁不良。例如FRED支架,它是设计外部类似于LVIS支架但内部有编织层的密网支架。

第四,是密网支架的尺寸过大

首先我们需要定义一下何为尺寸过大。尺寸过大表示支架其标称直径大于预期的载瘤动脉直径。加大尺寸的初衷是为了改变支架的贴壁性和打开力。然而体外流体模型研究也发现,尺寸过大会导致材料本身的几何形状发生变化,例如支架金属丝间的角度和网孔大小。从而导致动脉瘤内的血流量增大。因此在临床中,尺寸过大容易与动脉瘤闭塞率较低相关。在选择密网支架尺寸的时候还需要考虑支架的短缩率,过度膨胀的密网支架最终会导致比标称长度更短。相反,当密网支架选的过小时候也会出现同样的情况。

另外有两个部分会影响密网支架的性能

首先是关于密网支架孔隙率,金属覆盖率和网孔密度是最为经典的密网支架指标,最终是其选择的技术参数的结果。孔隙率定义为管道壁未被支架金属丝覆盖的面积百分比。金属覆盖率则相反,是管道壁被支架金属丝覆盖的面积百分比。网孔密度定义为单位面积下的网孔数量。这些特性将决定材料的血流导向能力。

增加密网支架金属丝,增加PPI或者支架层数将会降低孔隙率并增加网孔密度和金属覆盖率。

其次另外一个考虑因素则在于载瘤动脉的迂曲程度。当相同的密网支架,释放在弯曲段中,靠近曲线外围的密网支架孔隙率会更大。也就是相同密网支架释放在同一血管,当动脉瘤在血管外侧时,相比于血管内侧,网孔会更稀疏,血流导向能力相比于内侧弯会更弱。

市场常见的密网支架孔隙率通常在50%-70%,网孔密度在每平方毫米13-30个孔。

#05  密网支架的材料选择

对于制造密网支架的金属丝材料由于本身的物理性质会对密网支架的性能造成一定的影响。作为说明,我们常常将材料中的弹性模量(杨氏模量)左右参考数据。弹性模量(杨氏模量)是为固体材料抵抗形变能力的物理量。杨氏模量越高,也就意味着该材料越不容易发生形变。但是材料的选择不是唯一影响密网支架性能的唯一参数,相同条件下还需考虑密网支架本身的结构刚度,例如密网支架结构刚度更多取决于金属丝直径和编织参数。

弹性模量较高的材料需要较大的能量才能变形,但在弹回原始形状的时候也会释放较大的力量。相反,对于弹性模量较高的材料通常会表现出较低的弹性应变极限。也就意味着这种材料难以在压缩后恢复到原本的形状或直径。

因此具有较高弹性模量的密网支架常表现为有较高的打开力,或者由于尺寸恢复不足导致的无法打开。并且这类材料需要更大尺寸内径的微导管来推送。

另一个关键的材料特性是弹性应变极限,其定义为材料在发生永久形变前可以形变的程度。在密网支架的应用中,更高的弹性应变极限允许密网支架被压缩到更小的直径中。同时仍然能够保持自膨胀到预期的形态。弹性应变极限越好有利于将密网支架释放到更远端的血管,或更迂曲的血管中。

常用的密网支架材料为钴铬合金和镍钛合金,其中钴铬合金经过优化可以提高弹性模量,因此例如Pipeline、Surpass Evolve常用钴铬合金作为制作密网支架的金属材料。镍钛合金经过优化,可以通过相变及其相关的超弹性来增加弹性应变极限,因此例如FRED、P64、Tubridge、麒麟。

虽然钴铬合金和镍钛合金基于其优秀的物理性质作为密网支架首要的材料选择,但是这两个材料显影性很差。因此需要显影性更好的材料(例如钽,铂或铂钨合金)用于提供比钴铬合金和镍钛合金更好的显影性。例如Pipeline,Surpass Evolve采用的是铂钨丝,而FRED采用的是钽丝和钽的mark点。另一种方法就是采用的拉制填充管(DFT) 线。DFT线包含一根内芯线,通常由不透射线的铂或钽,被镍钛或钴铬合金包裹。由DFT线构建的密网支架可以让支架通体显影,同时仍然可以利用镍钛合金或钴铬合金的物理性质。例如镍钛合金包裹铂金的DFT金属丝设计的支架有Silk Vista Baby(Balt)、DERIVO FD(Acandis)、麒麟(通桥)。钴铬合金包裹铂金的DFT金属丝设计的支架包裹Pipeline Vantage(Medtronic)。

上表中纵坐标从上到下依次为钴铬合金,镍钛合金,横坐标分别为Alloy(材料),Elastic Modulus(弹性模量),Elastic Limit(弹性应变极限),以及对应常见的密网支架名称。

#06  表面修饰技术

提高密网支架性能的另一种方法是使用表面修饰技术,金属丝表面可以使用电化学,化学或者机械方式对金属丝表面进行修饰。表面修饰的目的在于减少血栓形成,增加内皮化,充当润滑作用以降低推送阻力。一些市场批准的密网支架具有特定的表面修饰性能,意在提高临床疗效。现阶段表面修饰的密网仍然是密网支架研究的热门话题。

Pipeline采用了Shield技术,是一种沉积在金属丝外部的磷酸胆碱层。旨在降低血栓形成并增强内皮化。体外研究实验表明,与无涂层的密网支架相比,血栓形成性更低,内皮化速度更快。

DERIVO FD的金属丝进行处理后,形成了表面氧化物和氮氧化物,称为BlueXide。意在降低摩擦力,增强推送性,同时降低血栓形成风险。

FRED X采用聚丙烯酸2-甲氧基乙酯涂层,已在体外实验中证明可以降低血栓形成性。

#07   常见密网支架数据对比

1.产品适应症,材质,编织股数,mark点,适配微导管对比

​2.产品型号及适配微导管列表

绿色表示兼容0.021英寸微导管,蓝色表示兼容0.027英寸微导管,红色表示兼容0.029英寸微导管

#08   未来展望

随着密网支架应用的日益普及,密网支架研发的力度也越来越大。未来针对下一代产品设计,参考动脉瘤内血流动力学来辅助选择更好的密网支架参数是一个方向,同时表面活性涂层正在被设计赋予更多的治疗价值。

例如可释放一氧化氮的涂层,含有肝素或其他抗凝成分涂层,含有促进内皮细胞捕获和增殖的蛋白质涂层,生物可吸收密网支架等等。

今天就聊这么多,很多内容是《美国神经放射学杂志》刊登文章的翻译内容,但是整篇文章对于了解密网支架本身非常受用。当然,翻译这篇文章的一字一句也花了差不多7个小时,对于文章内每一个专有名词也查找相应的名词解释。希望能够给在对面的你也有所启发。

当然,医疗器械制造展Medtec转载这篇文章希望大家能有所启发。

参考文献:Intraluminal Flow Diverter Design Primer for Neurointerventionalists

Alexander A. Oliver,Yigit Can Senol,Cem Bilgin,Jeremy E Shaffer,Ramanathan Kadirvel,David F.Kallmes,and John M. Wainwright

https://doi.org/10.3174/ajnr.A8076

文章来源:NeuralBoost

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