高性能形状记忆合金血管支架的研制

１９９０年Ｉ
１９９５年ｌ
２０００年Ｉ
２００３年ｌ
２００４年
血管支架术是用于治疗冠心病等血管性疾病的主要治疗手段。支架术是将一 种金属丝网管状器械植入血管狭窄性病变区，通过支架扩张使血管扩张到正常尺 寸。以血管支架术为代表的介入医疗诞生阶段于二十世纪七十年代，１９６９年第 一个不锈钢密螺纹支架被植入犬的周围血管内，这个支架维持血管通畅达２年 半之久，在此同时研制成功的球囊导管成功的扩张了狭窄的冠状动脉。１９７７年 美国医生Ｇｒｕｎｔｚｉｎｇ成功完成了世界首例经皮经腔冠状动脉成形术ＰＴＣＡ
ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｇｒｉｄ ｓｈａｐｅ，ｗｅ ｒｅｖｉｅｗ ａ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｖａｓｃｕｌａｒ ｓｔｅｎｔｓ．
ＮｉＴ．ｍｏｌ ｓｅｌｆ－ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ ｓｔｅｎｔ，ｗｉｔｈ ｇｏｏｄ ｂｉｏｌｏｇｉｃ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｕｐｅｒｅｌａｓｔｉｃ， ｃａｎ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｉｎ．ｓｔｅｎｔ ｒｅｓｔｅｎｏｓｉｓ ａｆｔｅｒ ａ ｓｔｅｎｔ ｏｆ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ．
Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｓｏｍｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ａｆｆｅｃｔ ｓｔｅｎｔ，ｓｕｃｈ ａｓ：ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｔｅｎｔ，ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｇｔｉｄ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ，ｓｅｌｆ－ｅｘｐｅｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｎｉｔｉｎｏｌ ｓｔｅｎｔ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ
本研究的切入点就是，应用镍钛合金制作自扩张血管支架。
第一章绪论
第一节．心脑血管疾病的介绍
心脑血管疾病中最典型也最为人们所熟悉的是冠心病。那么什么是冠心病？ 冠心病是冠状动脉粥样硬化性心脏病的简称。它是指供给心脏营养物质的血管一 冠状动脉发生严重粥样硬化或痉挛，使冠状动脉狭窄或阻塞，以及血栓形成造成 管腔闭塞，导致心肌缺血缺氧或梗塞的一种心脏病，亦称缺血性心脏病。它是一 种慢性的动脉疾病，它主要侵害中小动脉，因血管内膜增厚、变硬、管腔狭窄， 导致血管局部供血不足或中断，或者局部发生血栓而引起心肌梗塞、脑血栓、远 端肢体缺血、坏死及发生猝死。
Ｖａｓｃｕｌａｒ ｓｔｅｎｔ ｉｓ ａｌｌ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅｄｉｃａｌ ａｐｐｌｉａｎｃｅ ｆｏｒ ａｎｇｉｏｃａｒｄｉｏｐａｔｈｙ．Ｉｔｓ ｋｅｙ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｓｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｖｅｉｎｓ．Ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｓ ｔｏ ｔｗｏ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｔａｒｇｅｔ：ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ．Ｓｏ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉＳ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｖａｓｃｕｌａｒ
生率高达２０％～３０％ｔ甜。因此，研究既具有良好性能又可以有效防止再狭窄发生
的新型支架，已成为重要研究方向． 近年来，各种更加符合血流动力学和具有更佳适应性的支架正在被研制开
发。其中，镍钛记忆合金超弹性自扩张支架有较大的发展前景。利用ＮｉＴｉ合金 的形状记忆效应制备的各种自扩张的外周血管和心血管支架，有取代不锈钢支架 的趋势，形状记忆合金支架受到广泛关注。
ｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｐｒｏｐｒｉｅｔａｒｙ ｊｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｒｉ曲ｔｓ． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＮｉＴｉｎｏｌ ｓｅｌｆ－ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ ｓｔｅｎｔ ｉＳ ｆｉｎｉｓｈｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ
ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔ．Ｔｌｌｒｅｅ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｖａｓｃｕｌａｒ ｓｔｅｎｔ， ｔｈａｔ ｍｏｌｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｊＳ ＮｉＴｉｎｏｌ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ，ｉＳ ｂｕｉｌｔ ｂｙ ＡＮＳＹＳ．
中山大学硕士学位论文
高性能形状记忆合金血管支架的研制
Ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＮｉＴｉｎｏｌ Ｓｅｌｆ－ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ Ｓｕｐｅｒｅｌａｓｔｉｃ Ｖａｓｃｕｌａｒ Ｓｔｅｎｔ
专业名称： 工程力学 学位申请人： 徐强
导师名称： 王彪教授
论文答辩委员会组成（签名）
主席
委员
稚门己己
中国．广州．中山大学．工学院．应用力学与工程系 工程力学研究所 二零零七年六月
本研究对于应用有限元软件对血管支架的网格形状进行优化设计，模拟支架 材料应用具有形状记忆效应的镍钛记忆合金材料模块。结合应用ＡＮＳＹＳ中的三 维非线性单元模拟镍钛合金支架，对镍钛支架在血管中的自扩张过程进行仿真。 研究通过大量的计算，扩张过程的模拟，通过分析支架在扩张过程中发生变形（应 力与位移）。
ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｖａｓｃｕｌａｒ ｓｔｅｎｔ’Ｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｒｅ ＮｉＴｉ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ． Ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ ｔｈｒｅｅ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ＡＮＳＹＳ ｉＳ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ＮｉＴｉｎｏｌ ｓｔｅｎｔ． Ｓｔｅｎｔ’Ｓ ｓｅｌｆ－ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｖｅｓｓｅｌ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｖ ＡＮＳＹＳ．
（Ｐｃｒｃｕｔａｎｅｏｕｓ Ｔｒａｎｓｉｌｌｕｍｉｎａｌ Ｃｏｒｏｎａｒｙ Ａｎｇｉｏｐｌａｓｔｙ）１１１。二十世纪八十年代，介
入医疗进入了飞速发展阶段，具体表现在接受介入手术的病人从少数几例发展到 患者的绝大多数，治疗对象从心肌梗死为主的单支血管病变到多支血管病变。在 此阶段，越来越细的、易操作和造价更低的导管促进了介入治疗技术在全世界的 推广和应用。二十世纪九十年代为介入医疗的改进阶段。导管装置的不断改进使 医生可以更好地分析复杂动脉疾病，并尽力减少介入手术后的再狭窄等问题。在 此阶段，支架置入技术显示出良好的发展前景。２０００年以来，以血管支架术为 代表的介入医疗逐渐走向应用广泛，理论成熟的时期，但是，与此同时，支架置 入手术后再狭窄的闯题却日渐凸现，经皮冠状动脉成形（ｒｒＣＡ）术，术后并发内 膜撕脱、夹层导致的急性血管闭塞及ＦＴＣＡ术后再狭窄，半年后血管再狭窄发
在对网格形状不断改进的基础上，作者总结了一整套关于心血管支架的设计 思路。自扩张镍钛合金血管支架由于其良好的生物相容性与超弹性，可以解决支 架植入后的再狭窄问题。利用有限元软件ＡＮＳＹＳ对支架在血管中的自扩张行为 进行模拟，对支架的网格形状与尺寸进行优化设计。
关键词：有限元，镍钛形状记忆合金，支架，数值模拟
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ，ＮｉＴｊ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ，Ｓｔｅｎｔ，Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
引言
心脑血管疾病（也就是动脉粥样硬化性疾病（Ａｓ））是严重危害人类健康的
一大类疾病，在发达国家被它称为人类健康的“头号杀手”。随着人们物质生活水 平的提高和生活方式的改变，心脑血管疾病的发病率有着逐年上升的趋势，它已
ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｂｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｔＷＯ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｓｔｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｓｉｍｉｌａｒ鲥ｄ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ｔｈｅ ａｕｔｈｏｕｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｎｅｗ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ“Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｇｒｉｄ”ｏｆ ｓｔｅｎｔ． Ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔｕｄｙ ｉｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｖａｓｃｕｌａｒ ｓｔｅｎｔｓ ｏｆ ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｅｓｉｇｎ ｂｙ
图１－１．发生粥样硬化的冠状动脉 图中红色为血管，黄色为脂肪等血管壁上的沉积物，正是这些黄色沉积物使 血管壁丧失了弹性，逐渐硬化。患冠状动脉疾病的人，大约９９％是由冠状动脉 粥样硬化引起的。所以，冠状动脉性心脏病实际上就是指冠状动脉粥样硬化性心 脏病，简称冠心病。
２
当冠状动脉粥样硬化发展到一定程度，而导致冠状动脉的管腔严重狭窄、阻 塞时，即可造成心肌缺血、缺氧，从而发生一系列的症状（如胸闷、心绞痛等）， 甚至发生心肌梗塞而危及生命。这种病变就是冠状动脉粥样硬化性心脏病。其实 质是心肌缺血。所以也称为缺血性心脏病。
中文摘要
高性能形状记忆合金血管支架的研制
专业： 硕士生：
导师：
工程力学 徐强 王彪
摘要：
血管内支架作为治疗心血管疾病临床应用中重要的医疗器械，其主要变形过 程是支架在血管中的膨胀过程。这个重要的变形特征对应并影响着支架不同的两 个力学技术指标：变形与应力。
所以本论文的主要目的就是研制和开发具有自主知识产权的血管内支架产 品．并利用有限元技术对ＮｉＴｉ自扩张血管内支架的结构进行优化设计。利用有限 元分析软件ＡＮＳＹＳ建立了以ＮｉＴｉ形状记忆合金为材料模型的血管支架的三维 有限元仿真模型。结合支架外形尺度、网格形状等其它影响因素，对支架在血管 中的自膨胀过程进行了数值模拟分析。通过两种具有类似网格结构的支架，它们 之间性能的对比，提出血管支架“最优化网格”的概念。
Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｃａｒｒｉｅｓ ｏｎ ｍａｓｓｉｖｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅｓ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ
ａｎａｌｙｚｅｓ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｔｅｎｔ（ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ
Ｓｅｌｆ－ｅｘｐｅｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｎｉｔｉｎｏｌ ｓｕｐｅｒｅｌａｓｔｉｃ ｓｔｅｎｔ ｉｎ ｖａｓｃｅｌｌｕｍ ｉＳ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ａ
ｃｅｍｍｅｒｃｉａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｃｏｄｅ ＡＮＳＹＳ．Ｔ１Ｉｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＮｉＴｉｎ０１ ｓｅｌｆ－ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ ｓｔｅｎｔ’Ｓ ｇｒｉｄ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｉＳ ｆｉｎｉｓｈｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＡＮＳＹＳ．
英文摘要
Ｔｉｔｌｅ：Ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＮｉＴｉｎｏｌ Ｓｅｌｆ－ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ Ｓｕｐｅｒｅｌａｓｔｉｃ Ｖａｓｃｕｌａｒ Ｓｔｅｎｔ
Ｍａｊｏｒ：Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ
Ｎａｍｅ：Ｘｕ Ｑｉａｎｇ
Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：Ｗａｎｇ Ｂｉａｏ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：
第二节．血管支架术的发展状况和具体操作
血管内支架源自文库用来支撑体内管道狭窄的一种管状结构支架，它的发现是基于 球囊成形术的缺陷逐渐被人们所认识。１８９４年Ａｂｂｃ应用玻璃管连接动物血管，
可视为最早的支架（Ｓｔｅｎｔ）１３１。血管内支架（ｅｎｄｏｖａｓｃｕｌａｒ ｓｔｅｎｔ，ＥＶＳ）预防再
镍钛记忆合金自扩张支架具有良好的应用前景主要是取决于以下四个因素： 一是镍钛合金所特有的形状记忆效应以及由这个效应而产生的良好的超弹性。传 统的不锈钢支架采用球囊扩张，球囊释放后易出现弹性回复，并且扩张不均会引 起明显的动脉壁损伤，血管坏死和产生血栓，从而影响治疗效果，甚至危及病人
生命。而Ｎｉ．Ｔｉ支架无需球囊扩张，它随体温白行扩张，变形均匀，具有恒定柔 和的径向回复力，大大减少血栓形成的机会。二是Ｎｉ．Ｔｉ支架的疲劳寿命长，比 不锈钢支架高近６７％。三是镍钛合金支架在人体的体液环境内具有的良好的生物 相容性；四是在人的体液环境内，镍钛合金表现出非常低的金属腐蚀率。上述的 这四个因素，也正是镍钛合金支架应用前景良好的关键。如果对四个因素中的一 个或几个方面的性能能够改善与提高，都可以使镍钛合金自扩张支架更快、更广 泛的应用于临床医疗。
经成为世界范围内最主要的致人死亡原因之一．资料显示，１９９０年全世界死亡
人数约５０５０万，其中因冠心病死亡的人数高达６２６万，位居死因的第一位．根
据卫生部中国卫生统计数据的显示，在中国，心脑血管类疾病一直是位居第一的
疾病死亡原因，占因疾病死亡总人数的三分之一，如表１所示。
表１．近１５年因心脑血管疾病死亡人数比例