一种可降解锌合金血管支架支撑性能及疲劳力学的研究

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可降解锌合金支架在支撑性能和抗疲劳等力学方面有待深入研究。本课题采用有限元分析的方法,研究一种可降解锌合金支架经历压握、扩张、回弹以及血流脉动压至降解完成的整个过程中的支撑性能和疲劳力学问题,探讨影响支架支撑效果的重要因素和作用规律。
  本课题的主要研究内容包括以下几个方面:首先,对比理想简单化几何形态的狭窄血管(模型1)和三维重建真实几何形态狭窄血管(模型2)中支架植入扩张过程的支撑效果,探讨完全钙化斑块(模型3)和发生部分钙化的斑块(模型4),并且考虑血流脉动压循环加载对支架植入服役过程中支撑性能和疲劳性能的影响。其次,对支架降解机理进行探讨,基于连续损伤力学,考虑均匀电流腐蚀、应力腐蚀开裂作用,对支架自植入到服役降解完成的全过程进行有限元模拟,建立考虑了血流动脉压对支架腐蚀作用的动态腐蚀模型(模型5)。为对比说明血流动脉压对支架降解影响,建立不考虑血流脉动压的腐蚀作用的模型6。选取整体质量损失率、支架平均等效应力等指标,对比支架高低应力区的降解损伤情况,一方面验证动态模型的可行性和合理性,另一方面探讨支架降解过程中的动态支撑性能及损伤过程。最后,开展在体动物实验,选取3种不同表面处理方式的锌合金支架植入新西兰大白兔腹主动脉,观察支架降解整体情况,评价支架剩余体积,为支架动态降解模型提供实验验证及建议。
  基于以上研究内容,本文主要得出了以下有意义的研究结果和讨论。
  首先,模型1中支架扩张完成后的最大等效应力高于模型2中,且模型1中支架静态安全系数SF为1.05,模型2中为1.11,两个模型中血管内壁等效应力相对误差率约为69.1%。这说明由狭窄血管的几何形状不同引起支架与狭窄血管接触情况相差较大,影响支架的扩张效果和斑块的应力应变情况。
  模型3中支架扩张回弹完成后狗骨头率、血管残余狭窄率均高于模型4中,支架在完全钙化斑块模型中扩张时非均匀扩张更明显。采用Goodman准则判断支架在模型3和模型4中扩张均未发生失效,通过支架动态安全系数FSF判断模型3中支架比模型4中支架更易接近疲劳极限,钙化斑块降低支架疲劳使用寿命。无论是支架植入过程还是服役过程,高应力区始终位于花冠的内弯处。
  采用动态降解模型模拟支架的降解,定义模型5中支架完全降解所需时间为100t,讨论支架降解过程。选取支架高低应力区单元进行降解过程对比,发现:高应力区单元在0t到5t这段时间内,等效应力从314MPa下降到103MPa,10t时该单元不再具有支撑能力:初始等效应力140MPa的低应力区单元直至20t时损伤失效,不再具有支撑性能。这说明支架扩张完成的残余应力直接通过应力腐蚀机制对支架服役过程中的降解产生影响。
  对比模型5和模型6中支架降解情况,模型5中支撑力丢失和结构损失明显高于模型6中,且模型6中支架平均等效应力值一直高于模型5中。在20t时,模型5质量损失率达到0.86,而模型6中为0.78,两者差距达到26.9%。两个模型中首次出现单元删除时间并无明显差距,但一旦支架发生开裂,血流脉动压加速了支架的腐蚀速率和支撑性能的丢失。
  生物在体实验中,表面光滑处理过的支架较另外两种表面处理方式的支架的体积损失量小28.8%、25.5%,这是因为支架表面形貌改变了材料表面的应力集中现象,说明可以从影响材料的疲劳强度角度去改进动态降解模型。
  综上,狭窄血管的几何形态、斑块材料属性、血流脉动压动态作用等生物力学环境因素对支架的支撑性能和疲劳性能存在显著影响,务必考虑其对支架支撑性能的影响以准确评估支架的治疗效果。本文所建立的支架动态降解模型考虑了血流脉动压的动态作用,据此进行支架降解过程的数值模拟,获得了影响支架支撑效果的重要因素和作用规律。本文工作为支架设计者提高生物可降解支架的安全性和机械可靠性提供了科学依据和数值模拟手段,对可降解支架的临床应用具有促进作用。
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