超弹性镍钛合金支架设计优化及有限元分析

发布时间：2020-11-07 17:51

　　 动脉粥样硬化是一种常见的血管类疾病,其能引起冠心病和外周血管病等致死率较高的并发症,而自膨式支架可以撑开堵塞的血管达到治疗动脉粥样硬化的目的。超弹性镍钛合金支架是一种常见的自膨式支架,其具有自动扩张、径向力温和、柔顺性好等优点,但是临床结果表明其存在疗效不稳定、径向强度不足和血管通畅率不高等问题,国内外关于自膨式支架的研究也明显不足。为了解决这些问题,本文运用有限元方法研究了商用支架在压握和扩张后的机械性能,并设计了一种新型镍钛合金支架Bowknot,其具有优异的径向强度、柔顺性、临床疗效和完全应力诱导的马氏体相变,本文对其进行几何优化,通过有限元方法分析其应力和应变分布、变形和直径-时间曲线。本文的研究有利于优化支架设计并提升其机械性能,主要内容和结果如下:1.利用软件Siemens NX 11.0建立商用支架SMART CONTROL模型,并在有限元分析软件ABAQUS EXPLICIT中建立支架-动脉-斑块模型,分别使用超弹性模型和Ogden模型描述支架和动脉-斑块系统的材料性质,并通过应力-拉伸曲线验证了材料的准确性。本文研究了有限元模型的网格敏感性,以平衡结果的准确度和所需的计算资源,结果表明支架和动脉-斑块系统的最佳网格大小分别为4×4和2层。2.分析了商用支架在体外压握和血管中膨胀过程的机械性能,结果表明:(1)压握后的支架环具有相似的应力应变分布,最大应力为350.2 MPa,主要集中在U形弯曲处,应变峰值为3.48%,位于U形区域的内角,说明支架存在不完全的马氏体相变。(2)支架释放后,具有两端直径大,中间直径小的结构,中间支架环的应力和应变较高,支架整体应力应变水平随着逆相变而降低,且应力集中于U形弯曲处,说明该区域易发生失效,应力和应变最大值分别为181.61 MPa和3.10%。(3)支架膨胀后端部和中部直径分别为6.25 mm和4.50 mm,直径不均匀度为28%。(4)动脉-斑块系统的最大应力为0.3789 MPa,位于斑块的两端,最大应变为47.4%,集中在斑块内壁,说明这些区域容易破裂造成再狭窄。血管的通畅率为78.3%,仍有提升空间。3.设计了新型自膨式支架Bowknot,并对其进行几何优化,综合考虑机械性能和尺寸限制确定最佳尺寸,最后对完整支架进行径向强度和柔顺性评估,发现:(1)长度与径向强度成反比,宽度和厚度与径向强度成正比,长度和宽度对结果的影响程度更大。(2)对商用支架和设计支架进行环向压缩仿真和三点弯曲仿真,发现Bowknot支架在不影响柔顺性的情况下提高了26.3%的径向强度,最大径向强度为0.150 N/mm。(3)Bowknot支架更适合移植在狭窄率高且较长的患病血管中。4.应用有限元方法研究了新型支架在压握和膨胀后的机械性能,结果表明:(1)压握后支架的应力和应变主要集中在U形区域和支撑单元交叉区域,峰值分别为512.88 MPa和7.30%。(2)支架膨胀后两端直径大于中间,中间支架环的应力高于端部,应力和应变最大值分别为242.57 MPa和4.75%,集中于支撑单元交叉处。(3)U形弯曲内角和支撑单元交叉外侧具有完全马氏体相变,而整体应变水平仍然在安全范围内,表明支架充分发挥了镍钛合金的超弹性特性。(4)新型支架扩张后端部直径达到6.94 mm,中间直径为5.10 mm,直径不均匀度为26.51%,低于商用支架的不均匀度,说明新型支架疲劳强度更高。(5)斑块两端仍然具有最高的应力(0.4089 MPa)和应变(48.04%),直径由3 mm提高到5.10 mm,通畅率达到85%,接近于自扩张型支架的临床疗效上限(90%),说明新型支架拥有更好的治疗效果。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R543.5;TG146.15
【部分图文】：

可以看出脂肪斑块的堆积阻塞了血液的正常流动。图1.1 人体内动脉粥样硬化的图像动脉粥样硬化的形成过程为：血管狭窄阻碍血液流动，许多细胞如单核细胞会损伤并粘附在动脉的内表面（内皮）上。然后这些细胞将增殖并与脂蛋白结合从而诱导泡沫细胞的形成，而泡沫细胞是动脉粥样硬化的主要细胞成分。此外，泡沫细胞也来源于血管和巨噬细胞的平滑肌细胞。由于这些细胞的死亡和堆积，脂肪斑块不断膨胀，最后在覆盖有纤维帽的病变部位形成脂质池。这个过程将反复进行，直到脂肪斑块完全阻塞血管，这也是血管钙化、血栓和心脏病等疾病的主要诱因。一般来说，血管具有不同程度的扭曲和弯曲，其中血管弯曲经常发生在头部外的血管中。药理学和手术是用于治疗动脉粥样硬化的两种方法。前者通过抗高血压药物进行治疗，但是对于无?

送至血栓处，再给球囊加压撑开支架，支架产生塑性变形而无法恢复到初始形状，将球囊泄压并随输运系统一起收回，最后膨胀的支架将支撑堵塞的血管使血液正常流动。图1.2 球囊扩张支架移植在心血管中的示意图

内部的轻微变形，扩张的支架不是完美的圆柱体。最后，将支架压握至 2mm 并转移至鞘管中保存。图1.3 镍钛合金支架的制造和递送过程支架在加工后一般需要进行抛光以改善表面粗糙度。减少缺陷也有助于减小支架失效（断裂）的几率。此外，在支架表面上还可以增加额外的洗脱涂层（多孔聚合物）和药物（如西罗莫司），支架上的药物与斑块直接接触，可以降低扩张后再狭窄的可能性，而适当的涂层也可以增加支架的强度。
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本文编号：2874281