球囊成形术结合支架植入已成为治疗动脉疾病（如血管狭窄或部分堵塞）的一种被广泛接受的技术。支架是设计用于机械灵活性和长期耐用性的管状网状结构，通常由不锈钢或镍钛合金激光切割而成。冠状动脉支架的尺寸通常为直径1.5至3毫米，长度15至30毫米。脑部支架更小，而腿部支架则更大。植入在动脉病变部位后，支架的作用是保持血管开放，允许血液正常流通。
支架的灵活性对于其性能至关重要，这主要有两个原因：其一是植入技术，其二是运行环境。对于植入，最常用的方法是使用球囊导管：一个大约一米长的空心管，末端是放气的橡胶球囊，支架被压缩并放置在其上。当达到目标位置时，通过空心导管对球囊加压使其膨胀，进而使支架扩张，撑开动脉壁。随后，球囊放气，导管被移除。这种植入技术要求支架具有足够的灵活性。
在运行环境中，动脉是柔性的，持续受到心脏脉动的力量作用。因此，支架必须能够动态响应，类似于其宿主环境。
药物洗脱支架
由于相对微创，支架植入在治疗动脉疾病中获得了广泛认可。然而，裸金属支架的使用存在一个严重缺陷：它们会受到人体免疫系统的攻击，导致支架周围形成细胞团块，可能引发动脉再堵塞。这种称为再狭窄的情况，发生率约为25%。
为了应对这一问题，近年来引入了涂有强效抑制细胞形成药物的支架。这些药物通常嵌入在聚合物中，可能是可生物降解的（如聚乳酸乙醇酸共聚物）或不可生物降解的聚氨酯基弹性体。涂层必须具备以下特性：
- 柔韧性：适应支架的灵活性。
- 附着力：牢固黏附在支架表面。
- 光滑度：提供平滑连续的表面饰面。
聚合物/药物基质允许药物在数月内缓慢释放，抑制细胞团块的形成，从而显著降低再狭窄的可能性。临床试验显示，使用药物洗脱支架可将再狭窄发生率降低至2-3%，相比未涂层支架的25%有显著改善。这一进展使得支架疗法成为多次搭桥手术的可行替代方案，尤其在需要多处植入的情况下。
喷涂支架
喷涂是将涂层应用于支架的主要方法。其他技术（如真空和超临界二氧化碳沉积）仍在开发中，尚未商业化使用。由于支架的复杂几何形状，浸涂并不可行，因为支柱之间的间隙可能小至50微米，浸涂会导致这些区域的桥接，可能引发涂层脱落并进入血液。即使是喷涂，如果处理不当，也可能出现桥接。
正确涂覆支架是一个技术挑战。理想的涂层应当均匀（内外表面均如此）、无孔洞或其他缺陷，并且在支架间具有可重复性，重量增加控制在百分之几内。图1展示了一个完美涂覆的支架，具有光滑、连续的涂层，无网状物或表面缺陷。图2显示了涂层出现显著网状物的情况，图3则展示了由于液滴在到达目标前干燥而导致涂层表面不规则、粗糙的情况。
喷涂方法
目前行业中采用了两种类型的喷嘴：双流体喷嘴和超声波喷嘴。本文主要讨论超声波喷嘴技术，因为它被认为是实现最佳涂覆效果的首选方法。对于支架涂覆，操作要求包括：
- 流量：约20-100微升/分钟。
- 喷雾直径：0.5-2毫米范围内。
- 液滴尺寸：非常小的中值液滴直径。
超声波喷嘴能够满足这些要求。图3展示了一种涂覆策略：支架被放置在连接到旋转轴的心轴上，喷嘴安装在支架上方。旋转轴不仅旋转，还沿轴向移动，使支架沿其整个长度被喷涂。通常需要多次往返才能达到所需的涂层重量。
喷射的液体是聚合物/药物体系溶解在适当的有机溶剂中，稀释到约0.5-2%的重量浓度。通常使用高蒸气压溶剂，以实现快速干燥。通过重复往返和低流量，能够产生最佳的涂层效果和最大的材料传递效率。通过调整旋转速度、喷雾与支架的距离和往返次数，可以优化工艺。为促进更好的液体流动特性，支架涂层通常在氮气环境中进行。
超声波雾化
成功涂覆的关键在于选择适当的超声波喷嘴类型。超声波雾化的基本原理是：当液膜置于垂直振动的光滑表面上，液体吸收部分振动能量，形成驻波（毛细波），在液体表面形成规则的波峰和波谷。当振幅增加到一定临界值，毛细波不再稳定，波峰崩溃，液滴从波峰顶部垂直喷出。
液滴的数量中值直径（DN,0.5）与振动频率（f）的2/3次方成反比，其中，σ为液体的表面张力，ρ为密度。具体公式为：
典型的超声波喷嘴结构如下图所示。陶瓷压电换能器将高频电能转换为同频率的机械振动，振动通过钛制圆柱体集中和放大，传递到雾化表面。液体通过贯穿喷嘴的进料管输送到雾化表面，较大的进料口设计可防止堵塞。液体的雾化量完全由送入表面的速率决定，这使得超声波喷嘴在流量控制上具有高度的可变性。此外，超声波喷嘴的喷雾速度极低（0.25至0.4米/秒），相比标准压力喷嘴的10至20米/秒，动能降低了1万倍。
支架涂覆的超声波喷嘴
在支架涂覆中，主要使用两种设计的超声波喷嘴。两者都利用低压气流将缓慢移动的液滴聚焦成窄的喷雾束，工作频率均为120 kHz，对应水的DN,0.5约为18微米。
- 喷嘴A：压缩气体（约1 psi）被引入气罩的扩散室，在喷嘴杆周围形成均匀的气流。超声波产生的喷雾被气流夹带，可通过调节焦点机制控制喷雾宽度，形成锥形喷雾。喷雾束的最小直径约为1.75毫米。
- 喷嘴B：液体通过外部安装的套管输送到雾化表面，气体通过喷嘴孔供给。气流将喷雾吸引，形成极窄的喷雾束，最小可达0.5毫米。液体进料与喷嘴振动完全隔离，增加了喷雾的稳定性和涂覆的可重复性。
喷雾特性
两种喷嘴在喷雾束直径、液滴尺寸分布和液体特性方面产生不同的结果。通过Malvern Spraytec粒度分析仪的实验，得出以下观察：
- 液滴尺寸：数量中值液滴尺寸与理论预测一致。对于水，DN,0.5约为18微米；对于异丙醇，由于表面张力和密度较低，DN,0.5约为13微米。
- 分布形状：水的液滴尺寸分布接近对数正态分布，而异丙醇的分布向较大直径偏移，特别是在喷嘴B中。异丙醇的分布范围也比水的大。
- 合并现象：由于异丙醇的低表面张力，液滴更容易发生合并，导致更大的液滴尺寸。这在喷嘴B（喷雾束更窄、空间密度更大）中更为明显。
液滴对涂层的影响
液滴尺寸影响溶剂的蒸发速率和涂层的干燥时间。一般来说，对于高蒸气压溶剂（如四氢呋喃或氯仿），较大的液滴可以接受，因为干燥速度快。而对于低蒸气压溶剂（如二甲基乙酰胺），需要更小的液滴以避免涂层缺陷。
分布的宽度（ΔV）也可能影响涂覆行为，但实验结果显示，对于给定的液体，两种喷嘴的ΔV值相似，因此其影响可能不大。
文章总结
涂覆动脉支架是一项具有挑战性的喷涂应用。由于这些设备用于挽救生命的医疗场景，对生产工艺的要求极为严格。超声波喷嘴以其低流量、精确的喷雾模式、低速传递和小液滴尺寸，成为该应用的理想选择。尽管涂覆技术和药物/聚合物体系可能有所不同，但重要的是针对每种具体情况优化整个系统。本文介绍的两种喷嘴设计展示了不同的喷雾特性，都在支架涂覆中发挥着作用。选择哪种喷嘴取决于工艺的具体性质和所喷涂的材料。