简介概要

M型Ti-Ni合金血管支架的结构设计对性能的影响

来源期刊：稀有金属2017年第8期

论文作者：高云亮缪卫东冯昭伟崔跃王振国李君涛

文章页码：936 - 942

关键词：M型血管支架;结构设计;支撑性能;回弹性能;有限元;

摘要：血管支架的支撑性能及回弹性能是支架在结构设计过程中需要考虑的重要指标。本文选取M型支架节,通过有限元软件模拟,探究M型支架节的高度变化及结构设计波高比(h/H)对支架支撑性能及回弹性能的影响。结果显示:相同h/H比值的M型结构设计,支架高度H值越小,支架支撑力越大;固定高度H值不变,随着h/H比值增大,支架的支撑力减小,且在同一位移载荷下,减小程度随h/H比值增大更显著;当h/H=1时,M型支架转变为Z型支架,此时支架的支撑力最小;不同h/H比值设计的M结构,在不同的位移载荷作用下支架的回弹率区别较大;以h/H=1/2为基准,h/H<1/2的支架结构较h/H>1/2的支架结构回弹率明显高;在不同的位移载荷作用下,Z型支架较M型支架支撑性能较弱但回弹率稳定。

网络首发时间: 2016-04-13 16:05

稀有金属 2017,41(08),936-942 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.XY16022402

M型Ti-Ni合金血管支架的结构设计对性能的影响

高云亮缪卫东冯昭伟崔跃王振国李君涛

北京有色金属研究总院有研亿金新材料有限公司

摘要：

血管支架的支撑性能及回弹性能是支架在结构设计过程中需要考虑的重要指标。本文选取M型支架节, 通过有限元软件模拟, 探究M型支架节的高度变化及结构设计波高比 (h/H) 对支架支撑性能及回弹性能的影响。结果显示:相同h/H比值的M型结构设计, 支架高度H值越小, 支架支撑力越大;固定高度H值不变, 随着h/H比值增大, 支架的支撑力减小, 且在同一位移载荷下, 减小程度随h/H比值增大更显著;当h/H=1时, M型支架转变为Z型支架, 此时支架的支撑力最小;不同h/H比值设计的M结构, 在不同的位移载荷作用下支架的回弹率区别较大;以h/H=1/2为基准, h/H<1/2的支架结构较h/H>1/2的支架结构回弹率明显高;在不同的位移载荷作用下, Z型支架较M型支架支撑性能较弱但回弹率稳定。

关键词：

M型血管支架;结构设计;支撑性能;回弹性能;有限元;

中图分类号： R318.08;TG146.23

作者简介：高云亮 (1991-) , 男, 江西抚州人, 硕士研究生, 研究方向:Ti-Ni合金血管支架;E-mail:tjugyl@163.com;;缪卫东, 教授;电话:13701093728;E-mail:mwd@grikin.com;

收稿日期：2016-02-29

基金：国家自然科学基金项目 (51401027) 资助;

Influence of Structural Design of M Type Ti-Ni Alloy Vascular Stents on Performance

Gao Yunliang Miao Weidong Feng Zhaowei Cui Yue Wang Zhenguo Li Juntao

Grikin Advanced Material Co., Ltd., General Research Institute for Nonferrous Metals

Abstract：

Vascular stents' support performance and resilience are important indicators that should be taken into account in the design process. In this research, M type stents were selected. The influence of the height change of M type stent section and the ratio of height proportion design (h/H) on support performance and resilience was explored through finite element simulation. The results showed that with the same ratio of h/H structural design, the smaller value of the height H of stents was, the greater the supporting force would be.Keeping the values of height H unchanged, with the ratio of h/H ratio increasing, the supporting force reduced and the degree turned to be more prominent under the same displacement load. When h/H = 1, the type of M stent transformmed into Z type and the value of supporting force was minimum at this time. The type of M structure designed with different ratios of h/H, the stents' resilient rate was highly different under different displacement loadings; based on h/H = 1/2, the resilient rate of the structure with h/H < 1/2 was significantly higher than that of the structure with h/H > 1/2. Z type stents had weaker supporting performance and more stable resilience than M type stents under different displacement loadings.

Keyword：

M type vascular stents; structure design; support performance; resilience; finite element;

Received： 2016-02-29

Ti-Ni合金具有优良的力学性能、腐蚀抗力、形状记忆效应、超弹性及生物相容性, 因而被认为是最好的生物功能材料之一^[1,2,3,4]。随着介入医疗技术的发展, Ti-Ni合金在介入医疗器械中的优势日益明显, 各种支架在人体腔道狭窄的治疗方面得到越来越广泛的应用^[5], 其中绝大多数利用的是Ti-Ni合金良好的超弹性^[6,7,8,9,10]。通常主动脉血管支架主要包括支架本体和固定在支架本体上的覆膜两个部分, 其中支架本体由支架环和连接筋组成, 当血管发生收缩时, 支架受到压缩, 内部应力会迅速升高, 此时需要Ti-Ni合金具有较高的径向收缩抗力^[11]。

血管支架植入技术用作治疗血管狭窄疾病的方法已经被证明效果显著, 并广泛应用于临床^[12]。支架径向支撑力是血管支架的一个非常重要的使用性能指标, 它关系到支架展开后能否牢固贴附于血管壁^[13]。支撑力弱的支架在释放后不能紧紧贴附于血管壁, 因而对狭窄段血管没有足够的力学支撑, 而且容易在血管内移位。支架的径向回弹是血管支架的另一个非常重要的性能指标, 血管支架在位移载荷作用下会发生径向压缩, 记此时血管支架的外径为D₁, 在卸载载荷时, 支架会发生径向回弹, 记此时支架的外径为D₂, 记支架的弹性回弹率为

Ti-Ni合金血管支架植入后大的弹性回弹率能够确保血管拥有大的内腔截面积, 使血流更畅通。支架径向支撑性能对支架置入手术的成败起着至关重要的作用, 是评价支架设计的重要指标。支架的回弹性能是在支架设计过程中除了支撑性能、疲劳性能等, 需要考虑的另一个重要性能, 回弹性能的好坏直接影响着手术后的即时效果^[14]。因此研究血管支架的支撑能力和回弹性能有着非常重要的临床意义。

本文选取M型支架节, 通过ANSYS和ABAQUS有限元 (FEM) 软件模拟, 探究M型支架节的高度变化及结构设计对支架支撑性能及回弹性能的影响。

1 实验

1.1 有限元计算模型

本研究中M型支架的支架环则是由多个M型的支架结构单元环向周期性连接而成 (图1) 。M型支架节原始材料为Ti-Ni合金丝, 其中丝径为0.50 mm, 支架外径为30 mm, 折弯半径为0.7 mm。支架几何模型由Pro/E软件绘制, 如图1所示, M型结构设计参数如图2标注, 其中H为M型波高, h为小波高, α为顶部弯角, β为底部弯角。

图1 M型支架节三维几何模型图Fig.1 3D geometric model of M type stent

图2 M型支架结构设计图Fig.2 Structure design of M type stent

1.2 试验方案

考虑到计算结果的精准性, 采用不同的有限元软件分别计算M型支架节的支撑性能及回弹性能, 其试验方案分别如下:

通过ANSYS软件采用以下3种方案来研究M型支架的结构设计对其支撑性能的影响。

方案1:建立不同H值 (20, 22, 24, 26, 28, 30 mm) 的支架模型, 研究不同的h/H (1/5, 1/4, 1/3, 1/2, 1/1) 对支架, 支撑性能的影响, 其中支撑性能用支架在位移载荷作用下产生的支撑反力表征。

方案2:从方案1中选取支架支撑性能较好的H值, 固定其不变, 采用插值法验证不同的h/H (0, 1/5, 1/4, 1/3, 1/2, 2/3, 3/4, 4/5, 1/1) 值, 即M型的结构设计对支架支撑性能的影响。

方案3:按照方案2的方法, 改变对支架的位移载荷 (5%, 10%, 15%, 20%, 25%) , 进一步研究M型结构对支架支撑性能的影响。

通过使用ABAQUS软件主要采用以下两种方案研究M型支架的回弹性能。

方案 (1) :固定H=20 mm, 研究不同的h/H (1/5, 1/4, 1/3, 1/2, 2/3, 3/4, 4/5, 1/1) 值, 即M型的结构设计对支架回弹性能的影响。

方案 (2) :固定H=20 mm, 探究不同的h/H (1/5, 1/4, 1/3, 1/2, 2/3, 3/4, 4/5, 1/1) 值、不同的位移载荷 (5%, 10%, 15%, 20%, 25%) 对M型血管支架回弹性能的影响。

1.3 网格划分及约束设置

对M支架使用AN-SYS软件计算支撑性能, 由于支架几何结构具有循环对称性, 为了减少计算量, 在计算支撑性能时使用Solidworks软件截取支架的1/5模型进行有限元压缩模拟, 并采用20节点SOLID186单元进行扫掠网格划分, 在保证计算精度的前提下, 支架筋的折弯部分划分网格较密, 而其他位置相对粗糙, 图3为支架划分后的网格图。

对支架两个横截面施加对称约束边界条件, 两个截面上的节点所处条件完全相同;对支架面上的节点施加UY和UZ约束, 防止支架发生刚体运动且支架节点只发生径向位移。

对M支架使用ABAQUS软件计算回弹率, 在所创建的柱坐标系下, 选取支架面上5个在同一横向截面上的点, 施加UZ=0的约束, 防止支架发生刚体运动且支架节点只发生径向位移;以此同时, 第一载荷步设置为选取支架外表面, 在X方向施加相应大小的位移载荷, 第二载荷步为卸载第一载荷步施加的位移载荷, 即X方向施加0大小的位移载荷。

图3 ANSYS有限元计算网格图Fig.3 ANSYS FEM calculating model of vascular stent

指派支架网格控制属性为自由四面体、单元类型为线性, 为部件进行网格划分, 图4为支架划分好后的网格图及局部放大图。

2 结果与讨论

2.1 支撑性能ANSYS计算结果

ANSYS计算结果图:选取其中一组具有代表性的ANSYS计算结果图, 如图5所示, 图5 (a) 为支架的合位移等值线图, 从图5中可以看出, 支架上的每个节点部位发生的位移变形不一, 其中M型支架节的底部弯角β的两边中间位置位移最大, 而顶部弯角α两边折弯部位位移最小;图5 (b) 为支架的等效应力结果图, 从图5中可以看出支架最大等效应力位于支架弯折处的内表面, 说明此处为M型血管支架在压缩作用下最危险的结构位置, 这与此处最容易发生疲劳失效结果相吻合^[15];其中图5 (c) 为支架几何变形结果图, 从图5中可以看出, 支架在位移载荷下拐角变小, 支架发生了明显的变形, 且底部弯角β较顶部弯角α变形更大。

支架高度及h/H设计对支架支撑性能的影响不同H, h/H值M型支架参数设计对支架支撑性能影响结果如图6所示。从图6中拟合曲线可以看出, 固定h/H不变, 支撑反力F与支架高度H符合二次指数关系。在本文的研究范围内, 支架高度H为20 mm时, 支撑反力最大, 随着M型支架的高度H增大, 支架在位移载荷下产生的支撑反力减小, 即支撑性能减弱;当固定支架高度H不变时, 随着h/H的比值增大, 拟合曲线下移, 即支架的支撑性能减弱。从拟合曲线方程定量分析, 随着h/H的比值增大, F与H的二次系数增大, 即开口减小, 由二次指数函数性质可知, 支架支撑性能减弱的程度增强。固定支架高度H为20 mm不变, 采用插值法验证不同h/H值对支架支撑性能的影响结果如图7所示, 从图7中可以看出, 随着h/H的比值增大, M型支架节产生的支撑反力F逐渐减小且减小的程度增大, 即对支架支撑性能减弱的程度更强, 这与图6拟合的二次指数曲线结果相符, 当h/H=1时, M型支架结构与Z型支架结构相同, 支撑性能最弱。

图4 ABAQUS有限元计算网格图Fig.4 ABAQUS FEM calculating model of vascular stent

图5 ANSYS有限元计算结果图Fig.5 Result of ANSYS FEM

(a) Displacement of stent; (b) Von Mises stress of stent; (c) Transformation of stent

固定M型支架高度H为20 mm不变, 改变有限元模拟中的位移载荷, 得到不同的h/H参数对支架支撑性能的影响趋势, 如图8所示。从图8中可以看出, 在同一位移载荷下, 随着h/H比值的增大, 支架的支撑性能减弱, 且随着位移载荷的增大, h/H的增大对支架支撑性能减弱的效果更明显。

图6 不同H, h/H值设计与支撑反力关系图Fig.6 Relationship between H, h/H and F

图7 H=20 mm支撑反力F与h/H关系图Fig.7 Relationship between F and h/H under H=20 mm

2.2 回弹性能ABAQUS计算结果

ABAQUS计算结果图:选取其中一组具有代表性的ABAQUS计算结果图进行分析, 如图9所示, 图9 (a) 为支架的计算结果节点位移图, 从图9中可以看出, 支架上的每个节点部位发生的位移变形不一, 其中M型支架节的底部弯角β处的位置位移最小, 而顶部弯角α处位置位移最大;图9 (b) 为支架的节点力结果图, 从图9中可以看出, 支架在位移载荷压缩作用下, 各个节点产生的力较为均匀, 节点力最大的位置主要分布在支架的弯角部位, 说明此处位置支架变量较大, 是整个支架最容易发生失效的位置;其中图9 (c) 为支架应力计算结果图, 从图9中可以看出, 支架在位移载荷下应力集中位置主要在支架的弯角处, 这跟图9 (b) 反应的弯角处最容易发生失效的结果相同。图10是支架在卸载第一载荷步后支架的计算结果图, 对比图10 (a) 可以发现, 去除位移载荷后, 支架节点位移明显减小, 即支架发生明显的回弹, 将前后支架节点位移分别求平均值后, 即可求得支架的回弹率。

支架h/H设计对支架回弹性能的影响:固定H=20 mm, 图11为回弹率E与h/H之间的关系图, 从图11中可以看出, 在本文的研究范围内, 随着h/H比值的增大, M型支架的回弹率E先减小后增大, 两者之间大体符合洛仑兹 (Lorentzian) 函数关系。从计算结果可以看出, 以h/H=1/2为基准, h/H<1/2的M型支架结构较h/H>1/2的M型支架结构回弹率明显较好, 又随着h/H比值的增大, M型支架的支撑性能减弱, 综合两者因素, 这正是h/H<1/2的M型支架结构在临床中应用广泛的原因, 如由美敦力公司所设计的腹主动脉覆膜支架近端M型支架节;当h/H=1/1时, M型支架结构变为Z型支架结构, 支架的回弹性能得到了显著的改善。

图8 不同位移载荷下, 支撑反力F与h/H的关系Fig.8Relationship between F and h/H under different dis-placement loadings

图9 第一载荷步有限元计算结果图Fig.9 Result of first step load

图1 0 第二载荷步有限元计算结果图Fig.10 Result of second step load

图1 1 回弹率E与h/H关系图Fig.11 Relationship between E and h/H

固定H=20 mm, 表1为在不同位移载荷下, 不同结构设计的M型支架回弹率计算结果, 图12为支架回弹率E与h/H比值之间的关系图。对比表1中位移载荷分别为5%, 10%的回弹率计算结果数据, 可以发现不同h/H比值的支架回弹率计算结果一样, 这在图12中显示为两曲线重合;从图12中可以看出, 在不同的位移载荷作用下, M型支架的回弹率E随着h/H的比值的增大呈现先减小后增大的变化趋势, 这与图11的计算结果相符合;选取临床常用的M型结构分析, 即h/H<1/2, 可以发现, 位移载荷为15%较其他的位移载荷支架具有更好的回弹率, 这与临床应用中常选用15%为支架变形量的原则相符合;纵观图12可以发现, 对于不同h/H比值设计的M结构, 在不同的位移载荷作用下支架的回弹率区别较大, 而当h/H=1/1时, 这种区别最小, 即Z型支架较M型支架具有较为稳定的回弹率。

表1 不同位移载荷, M型支架回弹率与h/H关系Table 1Relationship between E and h/H under different displacement loadings of M type stent 下载原图

表1 不同位移载荷, M型支架回弹率与h/H关系Table 1Relationship between E and h/H under different displacement loadings of M type stent

图1 2 不同载荷下, 回弹率E与h/H关系图Fig.12Relationship between E and h/H under different dis-placement loadings

2.3 机制讨论

在固定M型支架节的高度H值及支架的折弯半径 (0.7 mm) 的条件下, 尽管h/H比值变化导致M型结构形状变化, 不同结构的M型支架节起始底部弯角β大小相同, 支架的顶部弯角α随h/H比值增大减小。在相同的变形量 (15%) 的加载下, 弯角大的支架较弯角小的支架需要的力更大, 根据力的相互作用原理, 支架本身产生的支撑反力越大, 即支架支撑性能更优越;而对于不同的高度H的M型支架而言, 当固定其h/H的比值设计, H越小, 单个支架周期的M形状顶部和底部的弯角均较大, 在相同的变形量 (15%) 的加载下, 其支撑性能显得更为优越。除了支架的高度之外, 血管支架的支撑性能的因素还有很多, 比如:支架材料Ti-Ni合金丝的丝径、支架的折弯半径、支架的外径等, 因此在设计和选择支架时, 需要考虑适当的支架参数设计, 以达到更好的力学性能, 进而达到最好的治疗效果。