论文部分内容阅读
可降解血管支架具有完全可吸收性和良好的生物相容性,避免了永久性支架易导致血管再狭窄、药物洗脱支架面临晚期血栓等的问题,引领了介入治疗领域的“第四代”革新。然而,可降解支架服役过程中支撑性能严重不足,使可降解支架尚未在临床中广泛应用。针对这一问题,本文探讨提升传统支架支撑性能的新型支架结构设计方案,利用有限元数值模拟分析和在体动物实验,对可降解支架的结构设计和力学分析展开深入研究,以期为可降解支架的结构设计及优化研究提供重要参考。
具体研究内容及方法:
(1)参考经典机械结构(棘轮结构),提出带有环向支撑条的新型支架结构支架A,利用有限元数值模拟,分析支撑条与连接筋的配合过程,以验证支撑条结构设计的合理性和可行性;
(2)利用有限元数值模拟,分析新结构支架A在30%狭窄血管内的扩张回弹过程,探究新结构支架A的支撑性能、结构稳定性及其对狭窄血管重塑的影响,讨论新结构支架A设计在工艺生产中和临床治疗中的可行性:
(3)针对新结构支架A的失稳现象,参考经典失稳问题解决方案,进行结构改进,得到新结构支架B,利用有限元数值模拟,分析新结构支架B在40%狭窄血管内的扩张回弹过程,探究新结构支架B的支撑性能、结构稳定性及其对狭窄血管重塑的影响,验证结构改进方案的可行性;
(4)基于连续损伤力学原理(Continuum damage mechanisms,CDM),构建锌合金材料的降解模型,利用有限元模拟,分析新结构支架B在40%狭窄血管内的降解过程,探究新结构支架B在狭窄血管内的降解情况、降解过程中的动态支撑性能及对其狭窄血管重塑的影响;
(5)开展在体动物实验,通过计算机断层扫描(Computerized tomographicscanning,CT)及三维重建,分析支架的降解情况(例如:降解位置、剩余体积等),定性验证降解模型的准确性,通过扫描电子显微镜(Scanningelectron microscope,SEM)和苏木精伊红(Hematoxylin and eosin,HE)染色观测实验结果,分析血管的内皮化情况及炎症反应。
基于以上研究内容,本课题研究主要获得如下有意义的研究结果:
(1)带有环向支撑条的结构中,支撑条与带孔连接筋的配合可以允许支架扩张、阻止支架回弹,从而提高支架的支撑性能,带有环向支撑条的支架结构设计具有合理性和可行性;
(2)相比于传统结构支架,新结构支架A在30%狭窄血管内扩张回弹后,径向回弹率和狗骨头率分别下降了26.6%和34.7%,说明新结构支架A的支撑性能被显著提高,有助于狭窄血管的重塑;
(3)针对新结构支架A在40%狭窄血管内的失稳现象,进行结构改进,获得新结构支架B,新结构支架B在40%狭窄血管内未出现失稳现象,并且相比传统结构支架,新结构支架B的径向回弹率和狗骨头率分别下降了65.7%和16.9%,新结构支架B即保证了较好的支撑性能,又具有较好的结构稳定性和安全性,有助于狭窄血管的重塑;
(4)新结构支架B和传统结构支架在狭窄血管内降解过程中,当传统结构支架出现断裂时,新结构支架B也仅有少量单元失效(质量损失),未出现断裂或坍塌。此外,新结构支架B的质量损失率和径向回弹率仅为3.1%和7.19%,明显小于传统结构支架的质量损失率和径向回弹率,14.1%和22.6%。支撑条结构和连接筋配合不仅有效的阻止了新结构支架B的径向回弹,更有效地减小了新结构支架B支撑筋部位的高应力集中区域,从而减缓了新结构支架B支撑筋部位的应力腐蚀,延长了新结构支架B的服役时间,因此,相对于传统结构支架,新结构支架B在腐蚀环境中,具有更长的服役时间、更好的支撑性能和结构稳定性,对狭窄血管的修复效果更佳,有望成为临床介入治疗的新选择;
(5)锌合金支架的在体动物实验中,锌合金支架遭受严重腐蚀的位置与有限元数值模拟中支架遭受严重腐蚀的位置基本一致,定性地说明锌合金材料降解模型可以反映支架的降解情况。此外,锌合金支架在血管内服役过程中,锌合金支架表面内膜覆盖良好,没有支架内血栓的发生,内膜增生以内皮细胞为主,有助于血管的修复;
综上,针对可降解支架支撑性能严重不足的问题,本文从结构设计、有限元分析和降解实验等方面进行了研究,结果表明,所设计的两种带有环向支撑条结构的新型可降解锌合金支架具有更好的支撑性能,对狭窄血管的修复效果更佳,特别是新结构支架B,在血管内降解过程中,更好的支撑性能和结构稳定性,以及具有更长的服役时间,有望成为临床介入治疗的新选择,本文研究结果为可降解支架的结构设计及优化提供了重要参考,对于推动可降解支架的临床应用具有重要意义。
具体研究内容及方法:
(1)参考经典机械结构(棘轮结构),提出带有环向支撑条的新型支架结构支架A,利用有限元数值模拟,分析支撑条与连接筋的配合过程,以验证支撑条结构设计的合理性和可行性;
(2)利用有限元数值模拟,分析新结构支架A在30%狭窄血管内的扩张回弹过程,探究新结构支架A的支撑性能、结构稳定性及其对狭窄血管重塑的影响,讨论新结构支架A设计在工艺生产中和临床治疗中的可行性:
(3)针对新结构支架A的失稳现象,参考经典失稳问题解决方案,进行结构改进,得到新结构支架B,利用有限元数值模拟,分析新结构支架B在40%狭窄血管内的扩张回弹过程,探究新结构支架B的支撑性能、结构稳定性及其对狭窄血管重塑的影响,验证结构改进方案的可行性;
(4)基于连续损伤力学原理(Continuum damage mechanisms,CDM),构建锌合金材料的降解模型,利用有限元模拟,分析新结构支架B在40%狭窄血管内的降解过程,探究新结构支架B在狭窄血管内的降解情况、降解过程中的动态支撑性能及对其狭窄血管重塑的影响;
(5)开展在体动物实验,通过计算机断层扫描(Computerized tomographicscanning,CT)及三维重建,分析支架的降解情况(例如:降解位置、剩余体积等),定性验证降解模型的准确性,通过扫描电子显微镜(Scanningelectron microscope,SEM)和苏木精伊红(Hematoxylin and eosin,HE)染色观测实验结果,分析血管的内皮化情况及炎症反应。
基于以上研究内容,本课题研究主要获得如下有意义的研究结果:
(1)带有环向支撑条的结构中,支撑条与带孔连接筋的配合可以允许支架扩张、阻止支架回弹,从而提高支架的支撑性能,带有环向支撑条的支架结构设计具有合理性和可行性;
(2)相比于传统结构支架,新结构支架A在30%狭窄血管内扩张回弹后,径向回弹率和狗骨头率分别下降了26.6%和34.7%,说明新结构支架A的支撑性能被显著提高,有助于狭窄血管的重塑;
(3)针对新结构支架A在40%狭窄血管内的失稳现象,进行结构改进,获得新结构支架B,新结构支架B在40%狭窄血管内未出现失稳现象,并且相比传统结构支架,新结构支架B的径向回弹率和狗骨头率分别下降了65.7%和16.9%,新结构支架B即保证了较好的支撑性能,又具有较好的结构稳定性和安全性,有助于狭窄血管的重塑;
(4)新结构支架B和传统结构支架在狭窄血管内降解过程中,当传统结构支架出现断裂时,新结构支架B也仅有少量单元失效(质量损失),未出现断裂或坍塌。此外,新结构支架B的质量损失率和径向回弹率仅为3.1%和7.19%,明显小于传统结构支架的质量损失率和径向回弹率,14.1%和22.6%。支撑条结构和连接筋配合不仅有效的阻止了新结构支架B的径向回弹,更有效地减小了新结构支架B支撑筋部位的高应力集中区域,从而减缓了新结构支架B支撑筋部位的应力腐蚀,延长了新结构支架B的服役时间,因此,相对于传统结构支架,新结构支架B在腐蚀环境中,具有更长的服役时间、更好的支撑性能和结构稳定性,对狭窄血管的修复效果更佳,有望成为临床介入治疗的新选择;
(5)锌合金支架的在体动物实验中,锌合金支架遭受严重腐蚀的位置与有限元数值模拟中支架遭受严重腐蚀的位置基本一致,定性地说明锌合金材料降解模型可以反映支架的降解情况。此外,锌合金支架在血管内服役过程中,锌合金支架表面内膜覆盖良好,没有支架内血栓的发生,内膜增生以内皮细胞为主,有助于血管的修复;
综上,针对可降解支架支撑性能严重不足的问题,本文从结构设计、有限元分析和降解实验等方面进行了研究,结果表明,所设计的两种带有环向支撑条结构的新型可降解锌合金支架具有更好的支撑性能,对狭窄血管的修复效果更佳,特别是新结构支架B,在血管内降解过程中,更好的支撑性能和结构稳定性,以及具有更长的服役时间,有望成为临床介入治疗的新选择,本文研究结果为可降解支架的结构设计及优化提供了重要参考,对于推动可降解支架的临床应用具有重要意义。