植入的自膨胀金属支架（SEMS）在恶性或良性食管狭窄中的迁移是一种常见的并发症，但尚未得到解决。本研究开发了一种水凝胶浸渍的坚固互锁纳米连接器（HiRINC），以确保粘附并减少SEMS与食管组织之间的机械不匹配。HiRINC具有网状多孔层，通过机械互锁和增加氢键位点，显著增强了食管蠕动期间的粘附和能量耗散，从而将SEMS牢固地固定在组织上。HiRINC的抗膨胀特性防止了水凝胶过度膨胀，避免了食管阻塞。体外和体内粘附测试证实，HiRINC优于没有RINC结构的平坦表面，并有效防止了支架迁移。HiRINC涂层的SEMS在大鼠和猪的食管模型中保持了其位置和管腔通畅性，在4周的随访期间最小化了支架引起的组织增生和炎症反应。这种新型HiRINC-SEMS可以确保在大鼠和猪的食管中抗迁移并延长支架通畅性，并有望扩展到其他非血管管腔器官和各种可植入金属设备。

1. 引言

食管管腔逐渐变窄，由恶性和良性食管狭窄引起，导致严重的吞咽困难。这种情况损害了患者吞咽食物的能力，对营养状况和生活质量产生了不利影响。胃癌、肺癌、乳腺癌和纵隔癌等病理也可能通过外部压迫食管管腔导致吞咽困难。可回收或不可回收的SEMS已被用作食管狭窄引起的吞咽困难的主要姑息治疗。根据疾病是恶性还是良性，使用不同类型的SEMS，如完全覆盖、部分覆盖或未覆盖的SEMS。SEMS已扩展到各种非血管管腔器官，包括食管、胃十二指肠、结肠直肠、胰胆管、气道和泌尿道。 然而，食管支架植入的早期并发症包括胸痛、发热、出血、异物感和支架迁移。此外，支架植入后可能发生延迟的支架内再狭窄，导致由肿瘤或肉芽组织生长、食管呼吸道瘘形成和食物嵌塞引起的复发性吞咽困难症状。其中，支架迁移是最常见的并发症，食管支架植入后的发生率为7-75%。

在食管蠕动等生理活动期间（图1a），柔软湿润的人体组织可能与传统的固体支架的刚性干燥组件不匹配， 从而增加了支架从其初始位置迁移的风险（图1b）。支架迁移显著降低了治疗效果，并需要额外的干预措施，包括支架移除、重新定位和重新植入。 已经开发了几种抗迁移策略，包括使用内窥镜夹或缝合、通过扩大支架尺寸修改支架形状[8] 以及应用双层技术（图1c）。虽然内窥镜夹或缝合可以固定支架，但这些方法相对侵入性较大，并且可能很少损伤食管组织，导致严重并发症，包括感染（1.2-1.8%）、食管穿孔（0.3-1.1%）和慢性炎症（2.8-3.5%）。尽管形状修改技术最小化了组织损伤，但其适用性因患者状况和使用的支架类型而异，通常需要患者特定的定制。然而，定制可能耗时、昂贵且在大规模生产中不切实际，在紧急情况下也不实用。尽管已经提出了各种抗迁移策略，但在临床实践中尚未建立克服支架迁移的金标准。

需要无损伤且简单的固定技术来克服与传统抗迁移方法相关的并发症。氰基丙烯酸酯胶是最强的粘合剂之一，但由于其细胞毒性、与湿表面的不相容性（与水接触后固化）以及形成不适应组织运动的刚性塑料的趋势，其使用受到限制。水凝胶等生物粘合材料是有前途的替代品，具有高含水量和与生物组织密切相似的机械性能。水凝胶中的羧酸或N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）酯基团通过物理和共价交联增强组织粘附，提供生物相容性、无毒性，并作为缝合替代品易于使用；它们能够实现即时、无创的粘合，并降低炎症风险。这些水凝胶在柔软性和弹性方面与天然组织非常相似，使其能够在食管运动期间耗散能量。 尽管有这些优点，但由于难以与固体材料（如医疗设备）形成强键，其更广泛的医疗应用受到限制。 先前的研究集中在表面功能化上，以引入与基底表面上的偶联剂互补的功能基团，但这种方法限制了多功能性，并且严重依赖特定化学品。 因此，水凝胶与固体材料之间持久粘合的多功能且坚固的方法对于实际使用至关重要。

本文旨在开发一种水凝胶浸渍的坚固互锁纳米连接器（HiRINC）在SEMS上，以连接水凝胶和支架外表面。坚固互锁纳米连接器（RINC）的网状多孔结构增加了键合位点，增强了与水凝胶的机械互锁和氢键。这些协同效应提高了SEMS的粘附稳定性（图1d）。在组织-水凝胶界面，氢键和共价交联提供了强而持久的附着，确保了支架的固定。此外，HiRINC的水凝胶在蠕动期间通过吸收和分配机械力耗散能量，减少了周围组织的应力，并在动态运动期间最小化了损伤（图1e）。最终，HiRINC-SEMS成功保持在指定的目标区域内，有效防止了迁移到目标区域外（图1f）。在大鼠和猪的食管模型中的4周随访进一步证实，支架没有移动，突出了HiRINC-SEMS在长时间内保持其位置的有效性。

2. 结果与讨论 2.1. RINC和HiRINC的制备与表征

RINC在平坦基底（硅片和镍钛合金板；以下简称“FLAT”）上制备（图2a）并用作对照。首先，使用小的十六烷基三甲基铵阳离子胶束作为模板，在整个基底上均匀生长了具有球形小孔（≈2 nm大小）的超薄二氧化硅种子层。随后，形成了网状多孔层，随着胶束使用水杨酸阴离子扩展而出现。 掠入射小角X射线散射（GISAXS）数据证实了在生长过程中种子层的存在（图2b）。随着多孔层在种子层存在下随时间增长，强度降低，当薄膜没有种子层时观察到最低强度。与没有种子层的情况相比，当种子层围绕基底时，多孔层（150 nm厚，孔径≈50 nm）更坚固地支撑。在镍钛合金板上的RINC具有种子层时，Ti（来自基底）-O-Si（来自RINC）的键合能高于没有种子层的结构，表明种子层在将RINC牢固地锚定在基底上起着关键作用（图2c）。

在确认RINC在基底上的成功固定后，需要设计粘附到食管组织的水凝胶层。我们使用受拼图机制启发的模具铸造、旋涂和浸涂方法处理RINC表面，具体取决于每个实验的要求。实验部分提供了详细信息，最终选择了浸涂用于SEMS应用。该过程有效地填充了RINC的开放孔，形成了水凝胶浸渍的RINC系统（以下简称HiRINC）。图2d,e显示了水凝胶与RINC之间的直接接触和机械互锁。作者将HiRINC与水凝胶涂覆的平坦表面（以下简称HFLAT）进行了比较，以评估RINC作为水凝胶-基底连接器的作用。使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）评估了分子键合特性（图2f）。HFLAT在3200 cm−1处表现出水凝胶内的强分子内键，但在3400 cm−1处表现出较弱的分子间键，表明水凝胶与硅烷醇之间的相互作用有限。同时，HiRINC表现出强分子间键，表明由于高表面积，水凝胶与硅烷醇之间的相互作用更强。此外，X-射线光电子能谱深度剖面显示，HiRINC的O 1s峰强度更高，表明硅烷醇氢键的存在增加。HiRINC的机械互锁和氢键有助于水凝胶与RINC之间的强粘附。

为了评估HiRINC的粘附性能，测试了其界面强度、粘附强度和粘附功。在90°剥离测试中，HiRINC表现出7.6 N cm−1的界面强度，比HFLAT的0.06 N cm−1界面强度高出约126倍。这一显著差异表明HiRINC的界面粘附更强，这归因于其网状多孔层结构。搭接剪切测试支持了这些结果，HiRINC表现出145 kPa的粘附强度，而HFLAT为8.67 kPa，表明增加了16倍。此外，HiRINC的粘附功（由力-位移曲线下的较大面积表示）增加了65倍，达到1.63 MPa mm−1，而HFLAT为0.025 MPa mm−1。因此，需要更多的能量来将水凝胶从HiRINC上剥离。 HiRINC形成了强键，使水凝胶能够有效地耗散能量并在施加外力时承受应力。 因此，水凝胶可以承受高力，直到超过韧性阈值，导致内聚失效。相比之下，HFLAT的弱键合导致粘附失效，因为它缺乏有效耗散外力的能力。水凝胶内氢键和物理相互作用的破裂耗散了大量能量，增强了机械强度和韧性，使其非常适合在RINC表面上的强粘附。进行了循环搭接剪切测试以评估HFLAT和HiRINC的机械弹性和粘附耐久性（图2h,i）。HFLAT在8 kPa的力下经过80次循环后失效，而HiRINC在超过40 kPa的力下保持了强粘附超过100次循环，表明其具有优越的弹性和抗应力能力。作者分析了扫描电子显微镜（SEM）图像在不同阶段——水凝胶加载前、水凝胶加载后和水凝胶剥离后——在不同水凝胶浸渍基底（如FLAT、RINC、二氧化硅薄膜和多孔二氧化硅纳米颗粒涂层表面）上的情况。剥离测试后，大多数多孔二氧化硅纳米颗粒涂层表面表现出纳米颗粒脱落，而RINC在水凝胶剥离后仍保持其结构完整性。基底与RINC之间的键合能高于水凝胶与RINC之间的键合能。尽管RINC与其他测试材料具有相同的二氧化硅含量，但其多孔层显著增加了氢键的界面面积并促进了机械互锁，从而增强了粘附。这些发现通过使用各种商业胶带（如Kapton、遮蔽胶带、Scotch和双面胶带）进行的90°剥离测试得到了证实，表明RINC表现出更大的界面强度。

2.2. HiRINC在不同条件下的耐久性

图3a展示了用于评估水凝胶粘附的交叉切割粘附测试，显示了HFLAT和HiRINC在制备状态和膨胀状态下的结果。HFLAT表现出水凝胶层的大面积剥离，表明其在膨胀状态下粘附较弱，导致分层（图3b,c）。HiRINC的水凝胶层在制备状态和膨胀状态下均表现出优异的粘附性。将HFLAT和HiRINC表面暴露于各种液体中的耐久性进行了比较（图3d）。每个表面的初始状态作为参考，黑色箭头指示水凝胶层。HFLAT的水凝胶在暴露于热咖啡时改变了其形态（由蓝色虚线勾勒）并分层。这种对膨胀引起的压缩应力的敏感性导致不稳定，包括皱纹和屈曲，由于与刚性基底的弱粘附而加剧。然而，HiRINC没有出现屈曲或分层，表明其强粘附能够承受各种液体的暴露，从而确保稳定的性能。

考虑到食管经常暴露于来自饮料和其他物质的不同湿度水平，作者对HFLAT和HiRINC进行了循环膨胀-收缩测试，以评估其粘附稳定性和耐久性。HiRINC的粘附强度比HFLAT高出三倍以上，即使在多次膨胀和收缩循环后（图3e）。图3f展示了HiRINC和HFLAT在潮湿环境中的粘附耐久性。在整个测试期间，HiRINC表现出出色的粘附性能并保持其结构完整性，而HFLAT在第四天完全分层，无法进一步评估。这一显著差异强调了HiRINC的增强耐久性及其承受膨胀引起的应力的能力，而这些因素削弱了HFLAT的粘附可靠性。

2.3. HiRINC的体外粘附性能和HiRINC-SEMS的体内粘附性能

图4a提供了在猪胃组织上进行的实际粘附测试的照片证据。水凝胶层从基底上剥离（由蓝色圆圈标记）表明HFLAT在提升过程中立即发生粘附失效。相比之下，HiRINC在受力下保持强粘附，水凝胶即使在从组织上提起时仍牢固地附着在基底上。我们在体外猪胃组织（1 × 1 cm）上进行了定量粘附强度测试。图S9（支持信息）显示了HiRINC的优异组织粘附性能，其粘附强度为65 kPa，而HFLAT的搭接剪切强度明显较低，为5 kPa，表明水凝胶与平坦表面之间的粘附失效。聚乙烯醇和聚丙烯酸是亲水性和吸湿性的，在与湿组织接触时吸收界面水，从而确保在湿润和动态食管条件下的稳定性。水凝胶中的羧酸和NHS酯基团与黏膜细胞中的氨基或羧基基团相互作用，即使在上皮表面的多样化糖萼中，通过氢键的物理交联和酰胺键的共价交联实现强而快速的粘附。细胞毒性评估对于确定这些材料在医疗设备中的潜在用途至关重要。通过使用CCK-8测定法测量AGS细胞的活力，评估了对照、HFLAT和HiRINC的细胞毒性。在所有时间点上，所有测试样品上的细胞活力均保持在90%以上，表明这些材料均未表现出显著的细胞毒性。

在确认HiRINC的组织粘附性和非细胞毒性特性后，作者研究了其作为SEMS的适用性。图4b显示了RINC内的硅分布和水凝胶层内的碳分布。图4c,d显示了水凝胶层在镍钛合金线上的对比行为。HFLAT-镍钛合金线在水中膨胀后分层，而HiRINC-镍钛合金线在干燥和膨胀状态下均保持水凝胶层的完整性。此外，HFLAT-SEMS表现出显著的水凝胶膨胀，其特征是皱纹、屈曲和分层（图4e,f中的虚线轮廓），表明在水中浸泡时不稳定。相比之下，HiRINC-SEMS的水凝胶有效地粘附在支架结构上，包括弯曲区域，观察到最小的膨胀。HFLAT-SEMS和HiRINC-SEMS在水中的独特行为强调了网状多孔层提供的改进的键合和稳定性。

为了实时定量评估大鼠食管中的体内粘附强度，我们建立了一个综合测试系统，利用荧光镜引导和配备数字测力计的机械测试系统（图4g）。在支架放置前，将手术线固定在支架末端。随后，在荧光镜引导下将HiRINC-SEMS插入大鼠食管的中部。在允许约1分钟以充分粘附食管后，将线从口中突出的末端连接到测力计，通过拉动测量食管组织与HiRINC-SEMS之间的粘附强度。水凝胶层在体内搭接剪切测试后保持完整，表明水凝胶与RINC的结合提供了强而持久的粘附机制。移除后未在支架表面观察到食管组织，表明HiRINC-SEMS未造成可检测的损伤。即使食管组织上残留有水凝胶，其生物相容性预计也会最小化炎症反应。HiRINC-SEMS在体内搭接剪切测试中测得的粘附强度略低于体外测试，但数值仍然很高（图4h）。在大鼠食管中的成功粘附表明其在临床应用中的潜力。

2.4. 大鼠食管模型中的体内抗迁移特性和组织学发现

所有SEMS均成功放置在大鼠食管中，无手术相关并发症（图5a）。然而，HFLAT组中的18只大鼠中有1只（5.5%）在支架放置后3天因严重食物嵌塞死亡，其余17只（94.4%）大鼠存活至研究结束（图5b）。内窥镜检查结果显示，HFLAT-和HiRINC-SEMS周围的食管黏膜呈蓝色调，这是由于水凝胶涂层层在SEMS表面激活所致。所有大鼠在支架放置后立即出现短暂的体重减轻，并在1周后开始恢复。支架放置4周后，所有组的体重变化显著不同（p < 0.001），HiRINC组显示出最高的体重增加。所有研究中使用的SEMS显著影响了迁移的发生率（p = 0.014，卡方检验）。对照组中的6只大鼠中有5只（83.3%）在支架放置后7-14天（平均10.5天）发生支架迁移（图5b,c），剩余的一只大鼠用于组织学分析。这一高发生率，包括部分（n = 2）和完全（n = 3）迁移，使对照组成为研究抗迁移支架的合适动物模型。在HFLAT组中，5只大鼠中有2只（40%）在14-28天（平均21天）内发生部分迁移。对照组的支架迁移发生率显著高于HiRINC组（p = 0.015，Fisher精确检验），但与HFLAT组无显著差异（p = 0.242）。HFLAT和HiRINC组之间无显著差异（p = 0.182）。根据不可切除的恶性食管狭窄患者的生存期范围，临床实践中支架通畅性应在支架放置后3至6个月内保持。对于难治性良性食管狭窄或接受同步放化疗的恶性狭窄患者，临时支架放置通常在治疗计划开始后4至6周使用。尽管作者在1个月的随访期间观察到支架迁移的存在，但支架迁移主要发生在支架放置的早期阶段。放置的支架在1个月后由于组织通过支架网生长而变得固定。体内研究结果表明，使用简单涂层工艺制造的稳定HiRINC-SEMS在大鼠食管中是安全有效的。由于HiRINC-SEMS有效防止了食管中的支架迁移，显示出活跃的蠕动，它可能还可以防止在其他具有相似或较低蠕动水平的管腔结构中的迁移，包括胃出口、十二指肠和结肠。

所有大鼠的食管和胃均成功提取。在对照组中，SEMS迁移至下食管，提取的食管样本显示。组织增生面积的平均百分比、上皮层厚度、炎症细胞浸润和胶原沉积的程度以及α-SMA和Ki67阳性沉积的程度在研究组之间显著不同（所有变量；p < 0.05，单因素方差分析）。HFLAT和HiRINC组的支架诱导的组织增生相关变量显著低于对照组。HiRINC涂层层在SEMS表面上的应用可以归因于尽管机械强度增加，但支架组织中的炎症减少。HFLAT和HiRINC组中炎症细胞浸润的减少可能归因于水凝胶和RINC材料的生物相容性，这可能最小化异物反应和随后的炎症。支架引起的机械损伤后的组织愈合可分为重叠阶段，包括炎症、增殖和重塑，这些阶段在4周内发生。愈合过程在支架引起的机械压力后立即开始，然后在4至14天之间开始增殖阶段，成纤维细胞增加，炎症阶段减少。 HiRINC组中α-SMA的比例降低，表明活化的肌成纤维细胞的存在。Ki 67阳性沉积，作为细胞增殖的主要标志物，在HiRINC组中也显著低于对照组和HFLAT组。特别是，HiRINC涂层在防止细胞增殖方面比HFLAT涂层更有效。HiRINC SEMS在大鼠食管中抑制支架迁移并减少炎症反应是有效且安全的。食管组织内的平滑肌细胞在SEMS迁移过程中起着关键作用。它们的收缩和松弛，以及其他因素如蠕动和食管运动，可以影响SEMS的移动和定位。 水凝胶涂覆在SEMS表面对平滑肌细胞的粘附特性可能有助于减少HFLAT和HiRINC组中SEMS迁移的发生率。 除了提供水凝胶与支架表面之间的强附着（通过水凝胶不分层证明），在加载水凝胶之前涂覆RINC进一步降低了微观水平上支架相关并发症的风险。因此，使用RINC可能增强了水凝胶层的长期稳定性，并在长时间内保持了支架的位置。

2.5. 双裸ePTFE覆盖的HiRINC-SEMS在猪食管中的有效性和安全性

作者成功制造了类似于临床实践中使用的双裸膨胀聚四氟乙烯（e-PTFE）覆盖的HiRINC-SEMS。设计了一个直SEMS，在两个裸SEMS之间附有e-PTFE膜，以促进支架迁移并减少疼痛和异物反应。HiRINC涂覆在外部裸SEMS的表面上以防止迁移（图5e）。为了评估将SEMS转化为临床环境的潜力，将双裸e-PTFE覆盖的SEMS以微创方式放置到猪食管中，随访期为4周（图5d）。双裸e-PTFE覆盖的HiRINC-SEMS成功放置在食管中肋软骨水平，无手术相关并发症。随访X光片显示，所有猪在随访期间均未发生支架迁移（图5g）。在支架移除后的肉眼检查中，未观察到食管组织损伤。组织学发现见表S3和图S20，支持信息。在HiRINC组中，观察到与正常食管组织相比扩大的管腔面积（79.08 ± 3.18 vs. 32.46 ± 3.59 mm²，p < 0.001），这是由SEMS的机械压力引起的。炎症细胞浸润（p = 0.104）和胶原沉积（p = 0.355）的程度在支架食管和正常食管之间没有差异，但在HiRINC组中略有增加。这些发现与大鼠食管模型的体内结果一致，因为HiRINC-SEMS表现出比对照SEMS更低的炎症水平。这些结果在大鼠和猪模型中的一致性表明，水凝胶和RINC材料的生物相容性可能有效减轻通常与支架放置相关的炎症反应，无论动物种类如何。此外，HiRINC-SEMS不仅保持了其位置而没有迁移，还可能有助于保持管腔通畅，同时最小化由于减少的炎症反应引起的支架诱导的组织增生。HiRINC-SEMS展示了解决传统支架关键限制的潜力，包括迁移、支架通畅性和过度炎症反应。这些改进表明，HiRINC-SEMS可能改善需要食管支架植入的患者的临床结果。作者的研究结果表明，该策略可以转化为临床环境，并可以扩展到其他通常使用SEMS的腔内器官。双裸e-PTFE覆盖的HiRINC-SEMS的放置是有效且安全的，可以在猪食管模型中防止支架迁移并减少炎症反应。使用SEMS表面修饰的抗迁移策略通过增强SEMS与食管组织之间的粘附力显著降低了支架迁移率，而无需额外的手术步骤，同时保持了传统的手术步骤。由生物相容性材料制成的HiRINC可以轻松应用于未覆盖或覆盖的SEMS。

3. 结论与讨论

SEMS植入是临床环境中用于恶性和良性食管狭窄引起的吞咽困难的标准治疗选择；然而，支架迁移限制了成功的支架植入。作者的研究通过探索RINC结构在增强支架粘附和稳定性方面的有效性，解决了这一挑战。HiRINC-SEMS在防止迁移方面优于对照SEMS，这主要归因于纳米结构RINC设计增加的表面积和机械互锁特性，从而增强了粘附强度和耐久性。 这减少了支架与食管组织之间的结构不匹配，从而降低了迁移风险。

作者还检查了RINC结构的具体设计参数，包括孔径和薄膜厚度，以评估它们对粘附的影响。小孔（1-2 nm）比HiRINC中的孔小，阻碍了水凝胶的渗透，而大孔（>100 nm）减少了机械互锁，从而降低了粘附强度。此外，比HiRINC中使用的薄膜更薄的薄膜由于互锁不足而降低了粘附，而更厚的薄膜最初增强了粘附强度，然后达到阈值，超过该阈值后没有进一步改善。这可能是由于孔填充，表明平衡这些变量以最大化粘附性能的重要性。研究结果还强调了解决水凝胶膨胀引起的潜在并发症的重要性，这可能导致严重的食管阻塞。HiRINC的抗膨胀特性可以有效缓解这种风险，确保水凝胶不会膨胀到损害食管管腔的程度。这种理解可以帮助保持水凝胶涂层的益处，同时最小化相关风险。

支架内再狭窄，由组织生长和支架迁移引起，是成功植入非血管管腔器官支架的主要障碍。在大鼠食管模型中植入SEMS是一种技术成功率和存活率高的成熟动物模型。作者选择了5 mm的SEMS直径，基于先前的研究，该研究表明迁移率（40%）与临床报告的迁移率（约33%）相似。采取了多项实验措施以促进SEMS迁移。虽然大多数先前的研究通常使用10-15 mm长度的SEMS在大鼠食管中，但作者选择了更短的10 mm长度，这更有利于迁移。此外，通常在大鼠食管模型中在SEMS的中间部分附有倒钩以防止迁移；然而，在作者的研究中去掉了倒钩以增加迁移率。虽然通常在荧光镜引导下将SEMS的近端放置在锁骨水平的食管上部以防止迁移，但将远端放置在膈肌水平以鼓励迁移。对照组中SEMS迁移的发生率非常高（83.3%），使其成为研究抗迁移SEMS的合适模型。

作者的研究提供了关于HiRINC-SEMS的有价值见解，但它有一些局限性。现有的实验条件可能无法完全捕捉HiRINC-SEMS在现实世界场景中的潜在脆弱性，其中持续的身体活动和变化的身体条件可能影响支架的耐久性。此外，由于SEMS仅在正常大鼠食管中进行了测试，病理条件下的组织反应（如食管狭窄和其他人类病理机制）可能有所不同。实验的结果达到了统计学显著性，但小样本量可能限制了统计分析的稳健性。然而，根据“资源方程”方法，E值为15是有效的，并符合动物实验的伦理标准。此外，未评估HiRINC-SEMS的长期有效性。最后，在最后一次随访期间未评估SEMS上剩余的水凝胶量和分层程度。需要进一步的研究来确认和优化。尽管如此，这项初步研究为抗迁移支架的进一步发展提供了坚实的基础。HiRINC-SEMS展示了作为防止支架迁移的创新平台的显著潜力，不仅适用于食管，还可能适用于非血管管腔器官，为临床管理和治疗策略的潜在改进铺平了道路。

来源：本文由DeepSeek进行解读，发表时候有修改。