锌血管支架结构优化及其选区激光熔化成形工艺研究

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近年来,心血管疾病的发病率逐年上升,血管支架是心血管介入术中最重要的医疗器械,其性能决定了心血管疾病治疗的效果。其中生物可降解血管支架受到越来越多的关注。锌有着良好的生物相容性及合适的降解速率,作为可降解血管支架材料有着良好的应用前景。但目前锌血管支架仍采用传统不可降解支架的设计,研究适用于可降解锌基血管支架的支架结构至关重要,可以提升可降解锌基血管支架的性能,减少植入后发生支架内再狭窄的概率。增材制造技术可以制造具有复杂几何结构的构件,但由于锌的熔点较低,成形过程中蒸发较为严重,增材制造成形锌血管支架较为困难,目前相关研究较为有限。研究可降解血管支架的结构设计对于推动其临床应用具有重要意义。本文通过有限元分析软件对三种可降解金属血管支架(铁,镁,锌)的一系列支架性能进行仿真模拟,探究材料与结构上的差异对血管支架性能的影响。从中挑选出具有良好综合性能的支架结构,并对血管支架的连接筋和支撑筋结构进一步优化,利用有限元仿真模拟比较优化前后支架性能的差异性,验证血管支架结构优化的合理性。同时探究了选区激光熔化(selective laser melting,SLM)制造金属锌的加工工艺并制备出血管支架及其支架伸展结构。对支架伸展结构进行拉伸,通过拉伸实验结果定性验证有限元仿真模拟结果。实验结果为个性化可降解锌血管支架的设计与制造提供了基础。本文主要研究成果如下:三种不同血管支架结构和三种不同可降解金属材料的血管支架性能均表现出较大的差异。V型支架的纵向压缩性能较差,S型支架柔顺性能较差,U型支架表现出较为优异的综合支架性能。对于同一种支架结构,铁血管支架表现出良好的扩张性能,镁基血管支架表现出良好的柔顺性能,镁基血管支架和锌基血管支架表现出较优的纵向支撑性能。对血管支架的结构进行优化,将支撑筋圆弧部位的曲率从0.36 mm-1增加至0.82 mm-1,并在连接筋添加了一段弯曲结构。血管支架扩张后的最大应力值为313.44 MPa,较优化前降低了10.72 MPa,降低了血管支架在扩张过程中断裂失效的风险,提高了血管支架的安全性能。在弯曲偏移量为1.5 mm时,所需力矩为0.47 N·mm,较优化前降低了0.2 N·mm,血管支架的柔顺性能得到提升。探究了SLM最佳的成形工艺并对仿真模拟结果进行定性验证。在激光功率为100 W、扫描速度为300 mm/s时,可获得致密度为99.86%的高致密度样品,其弹性模量、断后伸长率、抗拉强度、屈服强度分别达到48.6±2.4 GPa、8.9±0.7%、95.5±3.3 MPa、67.1±0.4 MPa。血管支架优化前、后的伸展结构分别在位移量达到2.3 mm及4.3 mm时发生断裂,断裂点均出现在圆弧和S形结构的连接处附近。说明优化后的支架结构需要发生更大的变形量才会达到抗拉强度而发生失效断裂,有更好的安全性能,与模拟结果趋势一致。断裂点位置与有限元模拟支架扩张后的应力集中区域一致。
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