支架结构对其力学性能影响的有限元分析
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摘要： 镁合金支架作为未来介入治疗的理想支架越来越受到关注.镁合金具有可降解性和良好的生物相容性优点，但弹性模量和抗拉强度比较低，为获得良好的支架性能，需要重新设计支架结构.利用参数化方法和有限元分析研究支架结构参数对支架力学性能的影响.结果表明径向强度对支架结构的敏感性最高.
关键词： 镁合金支架； 力学性能； 参数化； 结构优化； 有限元
中图分类号： R318.11；TB115.1文献标志码： B
引言
支架置入术作为心血管疾病的主要治疗方法之一，日益受到青睐.从1969年第一次使用金属环作为血管支架植入到动物体内开始，血管支架经历金属裸支架—药物洗脱支架—生物可降解支架的发展过程.生物可降解支架一方面满足服役期间支撑血管的作用，另一方面在血管内皮化完成后消失，使血管本身的免疫排斥反应达到最低.镁合金支架作为未来理想的支架，具有良好的机械性能和生物相容性[12]，且分解产物是人体所需的元素，具有抗心律失常的作用.研究镁合金支架对未来血管支架的发展有着十分重要的意义.
支架结构和性能是紧密联系的，支架结构决定支架的性能，同时根据支架性能不断改变支架结构，以获得所需的性能.[36]传统的支架设计周期长、成本高；有限元法不仅可以在计算机上进行有效测试，为研究者提供可靠、高质量的设计平台，同时也能节约时间，缩短产品开发周期.
本文利用有限元法研究支架力学，以某镁合金支架结构为基础，分析不同结构参数对支架性能（最大等效应力、轴向缩短率、径向回弹率和径向强度等）的影响，为镁合金支架的设计提供参考.
1材料和方法
1.1有限元模型构建
镁合金支架结构及其参数化见图1.
支架由轴向环和连接杆构成，前者主要与支架变形过程中的应力应变以及径向强度有关，后者主要影响支架的弯曲.[7]支架的外径D=3 mm，轴向宽度为8.66 mm.
支架结构呈轴向对称，考虑到时间成本和计算收敛难易性，建模时选取支架单环进行建模.首先在SolidWorks中建立支架的3D模型，然后导入前处理软件进行网格划分，最后导入到Abaqus中进行计算.
本文支架网格单元选取C3D8I单元，支架杆截面的网格数设定为4×4.在有限元模型中，球囊和压握工具用刚性管代替，划分网格时选取SHELL单元.有限元模型见图2.单环的结构通过4个参数定义（见图1（c））：弯曲处中间部分的半径R，支架杆的宽度L，支架杆的厚度T和单环的长度P；支架的外径保持3 mm不变.
图 2有限元模型
为研究不同参数对支架力学性能的影响，分别以4个参数为变量，保持其余参数恒定的前提下，改变其中某个参数.支架参数与相关力学性能见表1.
1.2材料模型和边界条件
本文选用的材料为某新型镁合金材料，其弹性模量为42 GPa，泊松比为0.35，抗拉强度为300 MPa.
模型的边界条件为：固定支架轴向一端在轴向的位移，另一端无约束；球囊、压握工具约束轴向位移.
支架在变形过程中的面接触有：支架压握过程中支架外表面同刚体内表面的接触；支架扩张过程中支架内表面同球囊外表面的接触；压握过程中支架自接触.为防止接触面互相渗透，定义无摩擦的接触对.
2结果分析和讨论
2.1最大等效应力
支架经过压握和扩张过程后，结构发生较大的弹塑性变形，弹性变形在压握工具和球囊撤出后得到释放，而塑性变形则只能作为残余应力存在于支架.
支架扩张应力分布见图3，可知，在支架的弯曲处等效应力最大，且呈现区域存在；在连接杆和大部分波杆处，等效应力值很低，发生的变形较弯曲处小很多.
图 3支架扩张应力分布一个好的支架结构，必须具有良好的压握和扩张性能，本文以扩张终点时支架的最大等效应力考量各尺寸参数对应力应变的影响.分析表1可知，T对最大等效应力的影响不大；而增大R，P和L的值，都可以降低最大等效应力值，其中，R对最大等效应力值的影响较大.因此，在支架设计过程中，可以着重考虑弯曲处中间部分半径的作用.
2.2轴向缩短率
支架在扩张过程中会产生轴向上的缩短，如果缩短太多，则支架无法完全覆盖病变部位，影响治疗效果，因此，临床上要求支架的轴向缩短率越小越好.分析表1可知，同最大等效应力一样，T对轴向短缩率基本没影响；而增大R，P和减小L可以降低支架的轴向缩短率，其中，P对支架的轴向缩短率影响较大，当P从1.56 mm到2.16 mm，增大38.5%时，支架的轴向缩短率减小66.2%.
2.3径向回弹率
径向回弹指在病变血管扩张支架到固定直径，球囊撤出后，由于弹性应变的释放而产生的支架径向尺度的减小.径向回弹率是支架贴壁性能的一个重要反映，如果回弹过大，则支架无法与血管完全贴合，导致支架支撑血管的作用不均匀，严重的话还可能导致支架在血流冲刷下脱离病变部位.特别是对于药物洗脱支架，支架贴壁不良会严重影响药物往血管壁的渗透，影响临床效果.因此，在支架设计过程中，应尽量减小支架的径向回弹率.
分析表1可知，减小R，P和增大L，T，可以使径向回弹率下降.这个趋势刚好与尺寸参数对最大等效应力的影响相反，原因可能是最大等效应力越大，意味着弹性变形在总变形中所占的比例越小，在应力释放时，支架的回弹也就越小.各尺寸参数中，P对径向回弹率的影响最显著，当P从1.86 mm到1.56 mm，增大16%时，支架的径向回弹率减小25%.
镁合金的弹性模量较小，即抵抗弹性变形的能力比传统的支架材料（如不锈钢、钴铬合金等）低很多，所以设计镁合金支架时为获得较低的径向回弹率，支架单环的长度不宜过长.
2.4径向强度
镁合金支架置入人体后的主要作用是支撑病变组织和血管，使血管恢复血流畅通.由于镁合金支架在人体内不断降解，尺寸逐渐变小，支架的支撑作用逐渐减弱.对镁合金支架而言，植入初期的支撑力成为衡量其支撑能力大小的指标，同时，为保证支架能在有效服役阶段不会被血管壁压塌，支架的尺寸变化对支架支撑力的影响是应该考虑的重要因素.
本文的分析结果表明，减小R，P和增大L，T，可以使支架的径向强度增大.其中，R的影响最小，从0.24 mm到0.12 mm，支架的支撑强度只增加16%；而当L，T增大50%和P减小50%时，径向强度分别增加224%，114%和250%.在支架的性能参数中，径向强度对支架结构的敏感性最强，因此，在支架生产过程中要严格控制支架尺寸精度，只有这样才能保证其具有良好的径向支撑强度.
3结论
（1）参数化设计和有限元分析方法有助于高效分析支架结构参数对支架力学性能的影响，以此作为支架设计和优化的理论基础.
（2）本文研究的支架力学性能中，径向强度对支架的结构最敏感，因此，在设计和生产支架时需严格控制尺寸精度，以此获得良好的径向支撑强度.
（3）不同结构参数对不同支架性能的影响各有不同，如支架结构对最大等效应力和轴向缩短率的影响趋势，同支架结构对径向回弹率的影响趋势刚好相反，不同结构参数对同一支架性能的影响也有差异.因此，在支架设计优化过程中，要充分考虑它们之间的关系，尽量取得各种性能之间的平衡.
参考文献：
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