镍钛合金冠脉支架纵向柔顺性数值分析

目的利用有限元方法分析自主设计镍钛合金冠脉支架的结构特征与纵向柔顺性的关系。方法通过Soildworks设计一种新型支架的几何模型,运用Hypermesh、MATLAB及ABAQUS软件构建出支架的有限元模型,在ABAQUS中对支架一个结构周期内的9个弯曲方向上分别施加转角位移,使支架保持纯弯曲状态。结果支架柔顺性在自接触前差异性不明显;当自接触发生后,支架的柔顺性表现出明显的各向异性,同时支架在平面内的纯弯曲载荷作用下发生弯曲变形,并伴随着平面外的偏转及围绕自身轴线的扭转变形。结论支架的结构特征决定了其弯曲行为,连接体的螺旋和自接触使支架的柔顺性始终表现出各向异性,为支架在临床上的应用提供科学指导。     

可吸收支架生物力学性能分析

分析和评估可降解支架在加工和临床使用时的生物力学性能。基于有限元方法,建立六面体网格模型,假设支架和模拟血管为各向同性的不可压缩材料,分别赋予弹塑性和超弹性本构模型,根据加工和临床情况施加边界条件和接触条件,使用有限元软件ABAQUS的隐式求解器,模拟3种规格支架B-2508、B-3018和B-3528在压握、扩张、后扩张和疲劳工况下的表现。结果表明,压握时,这3种支架的应力峰值分别为55.47、55.47 和50.51 MPa;扩张时,这3种支架的应力峰值分别为64.10、66.09和66.25 MPa;后扩张时,这3种支架的应力峰值为66.10、65.85和67.85 MPa。在疲劳图中,B-2508和B-3018的平均应力交变应力坐标均位于疲劳临界线1以下,而B-3528中少数节点的坐标位于疲劳临界线1以上。总的来说,压握安全性方面,B-3528最优;扩张安全性方面,B-2508最优;疲劳安全性方面,B-3018最优。研究结果对可吸收支架提供一种准确的生物力学性能模拟分析方法,为可吸收支架类的产品开发和临床精确操作提供理论指导。     

球囊翼片数目对装配后球囊支架系统性能的影响

目的分析球囊翼片数目对装配后球囊支架系统性能的影响,为球囊支架装配工艺以及球囊支架的后续设计结构优化提供理论支持。方法首先对Pebax球囊材料样本进行拉伸试验,得到轴向与周向应力应变曲线。然后采用抗拉性能弱的球囊周向应力应变曲线,构建基于Yeoh模型的球囊材料本构方程。之后使用Solid Works软件建立二翼、三翼、五翼球囊以及支架模型,利用ABAQUS软件对球囊支架进行吹塑以及压握模拟,以球囊表面应力、支架最终直径作为球囊支架系统性能评价参数。最后利用水压爆破仪和游标卡尺来检测装配后球囊支架系统的爆破压和直径,验证有限元模拟的准确性。并根据有限元的分析结果优选出三翼和五翼球囊支架进行抗脱载力实验对比分析。结果仿真中球囊表面应力集中在球囊褶皱位置,其中二翼球囊表面应力最大。二翼、三翼、五翼球囊支架系统的最终直径基本相同。实验结果与有限元模拟结果相一致。抗脱载力实验中五翼球囊支架抗脱载力较三翼球囊支架更大。结论球囊翼片数目对装配后球囊支架系统的性能影响显著,五翼球囊支架系统在综合性能评价上表现出优势。本研究可以指导球囊与支架装配参数的调试以及球囊支架结构的优化设计。     

血管支架柔顺性能的仿真模拟及灰色相关性分析

目的利用有限元法与灰色相关性理论的方法,分析并比较支架结构参数对支架植入后与血管同步运动能力的影响。方法选取S型闭环镁合金支架作为研究对象,应用Solid Works软件建立不同材料、周向支撑体数目、支撑体长度及初始直径共9款支架模型;应用Hyper Mesh软件进行支架模型网格的划分;应用ABAQUS软件模拟分析支架植入后与血管同步运动能力;利用灰色相关性理论研究并比较支架结构参数对弯曲刚度影响因子大小。结果材料对支架柔顺性的影响较明显,其中镁合金的柔顺性最好,对应弯曲刚度值为0.958 N·(rad·mm)~(-1);周向支撑体数目为5对应支架的柔顺性最好,其弯曲刚度值为0.853 N·(rad·mm)~(-1);支撑体长度为1.0 mm对应支架的柔顺性最好,其弯曲刚度值为0.829 N·(rad·mm)~(-1);初始直径为1.4 mm对应支架的柔顺性最好,其弯曲刚度值为1.024 N·(rad·mm)~(-1)。结论镁合金支架对应柔顺性最好,其次为不锈钢,钴铬合金支架对应柔顺性较差;柔顺性随着周向支撑体数目、支撑体长度、初始直径的增加而呈减小趋势变化;通过灰色相关性计算可知,材料对应柔顺性的影响最显著,其次为周向支撑体数目、支撑体长度,初始直径对其影响较小;分析支架结构参数对柔顺性的影响,可为支架的设计研发及临床治疗提供更加科学的参考。     

镁合金冠脉支架支撑性能分析及其优化

目的利用有限元法对支架支撑性进行模拟分析,选用Kriging代理模型理论优化支架结构,为支架的临床治疗及设计开发提供更加科学的参考。方法通过惩罚函数法建立接触模型,选用广义变分原理作为数值模拟仿真的理论基础,并以Kriging代理模型理论对支架刚度进行有限元优化,研究周向支撑体数目、支撑体长度和初始直径对支架支撑性能的影响。结果支架的支撑力随着周向支撑体数目和支撑体长度的增加呈现下降的趋势,而随着初始直径的增大呈现上升的趋势;利用Kriging代理模型理论从7款支架中得出:支撑体数目为6个、支撑体长度为1.15 mm、初始直径为1.65 mm是支撑刚度最优支架结构。结论数值分析与体外实验结果吻合较好,误差在5%以内,实验重复性误差率在0.5%以内,验证了有限元分析的有效性和合理性。镁合金支架支撑性能的优化为新型支架设计及开发提供重要参考依据。     

结构差异对记忆合金可扩张椎体支架生物力学的影响

目的 观察记忆合金管研制的可扩张椎体支架不同尾端结构对支架的生物力学的影响，为支架工艺参数定型。方法 选用外径4.5 mm、壁厚1.0 mm记忆合金管研制单弧形6瓣支架9枚，其中尾端“十字槽”结构5枚、内螺纹结构4枚，对支架单瓣与双瓣的生物力学分别予以测试，观察支架的体外生物力学状态；本次研制的9枚支架均在衡仪生物力学测试仪上完成，记录压力—位移曲线，压缩位移设定为5 mm，对末端力学测试结果进行对比，并对其压缩位移测试曲线分析。结果 记忆合金管研制的单弧支架测试的压力位移结果为一拱形曲线。在支架5 mm压缩位移时对外扩张力单瓣与双瓣支撑状态总体上无明显统计学差异；尾端“十字槽”结构对支架的力学强度有所影响；内螺纹结构力学强度相对稳定，在5 mm压缩位移时，内螺纹结构的不同瓣叶支撑终板的应力，单瓣为（94.27±4.81）N，双瓣为（107.43±3.40）N，差异有统计学意义（P＜0.05）；末段1.6 mm的观测点，“十字槽”支架应力测试结果显示曲线有所散乱，而内螺纹支架力量均为75 N左右，且均呈稳定的线性曲率变化，具有较好的“末段应力”。结论 支架尾端“十字槽”结构对支架的力学稳定性产生影响；尾端内螺纹支架具有更好的力学性能稳定性；同时，内螺纹结构的椎体支架具有更好的衔接功能和操作的安全性；本研究结果有助于支架工艺的定型。     

球囊扩张式支架扩张过程的数值模拟

目的求解支架扩张过程中的应力、形变分布云图,以及压强-直径变化曲线,获取球囊扩张式支架整体性能数据。方法使用"体积控制"球囊-支架模型,运用有限元分析软件ANYSY进行数值模拟,并与实验数据进行比较。结果支架-球囊模型可以很好地模拟支架扩张全过程;当球囊膨胀至最大直径,支架模型的主体结构与加强筋连接位置会发生塑性形变,而最大应力也分布在连接位置。结论通过有限元分析可以对支架性能进行优化。     

球囊配置对冠状动脉支架扩张和回弹行为的影响

探讨不同球囊配置对冠状动脉支架扩张和回弹行为的影响,以期从球囊配置的角度为球囊 支架系统的有限元模拟策略及优化设计提供一定的指导。采用SolidWorks建立Cypher支架模型及4种Raptor球囊模型(无褶、三褶、六褶和六褶锥形末端球囊模型),使用Hypermesh软件进行各模型的网格划分,应用Abaqus Explicit模块完成不同球囊 支架系统的扩张和回弹模拟。结合制造商提供的压力 直径顺应性曲线验证模拟结果的合理性,并引入“狗骨头”率、轴向缩短率及径向回弹率等3个参数评估不同球囊 支架系统模拟效果的优劣。结果表明,无褶球囊 支架系统在较低压力下扩张明显,各项参数较其他球囊 支架系统很大;六褶球囊 支架系统相较三褶在扩张中的压力 直径顺应性曲线更接近制造商提供的数据,且轴向缩短率（6.1%）和径向回弹率（1.9%）也均优于三褶;六褶锥形末端球囊 支架系统由于与导管间的连接使得“狗骨头”率（12.0%）和轴向缩短率（3.85%）明显降低。对于球囊 支架系统的有限元模拟,在支架的初级设计阶段可以采用理想的无褶球囊模型进行支架的扩张模拟,但考虑支架的瞬态行为和最终定位时,球囊的褶皱和锥形末端设计等几何特征不可忽略;在球囊 支架系统的优化设计中,球囊褶数可以从三褶调整为六褶,更有益于支架的均匀扩张。     

血流作用下冠脉支架的疲劳寿命优化

目的评估血流作用下冠脉支架的疲劳寿命,并在此基础上对支架的疲劳寿命进行优化设计。方法采用Pro/Engineer建立包含植入支架、血液、血栓以及动脉壁的简化组合模型,使用ANSYS有限元分析程序,利用有限元法模拟支架在动脉壁中受血流的周期性作用,并根据支架内的血流动力学分析结果对评估支架的疲劳寿命。以支架的几何参数作为设计变量,通过拉丁超立方抽样方法选取样本点并得到对应的响应值,建立Kriging代理模型,对冠脉支架的疲劳寿命进行优化。结果 Goodman图显示优化后支架是安全的;累积损伤法表明支架最大损伤点处于支架血流流入端的第2交叉面上,优化后支架的疲劳寿命提高30.55%。结论有限元法可对冠脉支架疲劳寿命进行有效的评估,建立Kriging代理模型对支架进行优化设计可以有效地提高支架的使用寿命。     

基于非对称孔结构的高性能血管支架设计

目的 设计一种新型高性能血管支架,使其能够在保证足够径向刚度的前提下减小支架厚度及金属覆盖率,并具有较好的轴向柔顺性,以达到减少支架内再狭窄的目的。方法 基于对称结构孔及非对称孔结构变形能力的研究,通过数值模拟方法对支架结构进行分析设计,并利用实验方法对加工后的支架进行径向刚度及弯曲刚度的测试。结果 新的支架结构具有较高的径向刚度、较小的金属覆盖率和较好的轴向柔顺性,对减少支架内再狭窄的产生具有一定意义。结论 基于非对称孔结构的支架设计方法是有效的,并且能够借此设计出高性能的血管支架结构。     

冠脉内支架临床发展策略

冠脉内支架是临床上预防ＰＴＣＡ并发症的有效措施，但金属支架固有的血栓菜成原性和对血管壁组织的永久性刺激可导致院内心脏事件和再狭窄。为解决上述问题，作者提出，血管内支架联合靶向药物传输离子照射或基因治疗、基因修饰的内皮细胞的种植支架、吱物可吸收缓释药物支架材料研制为临床冠脉内支架开辟了广阔的发展前景。     

Fabrication of Balloon-Expandable Self-Lock Drug-Eluting Polycaprolactone Stents Using Micro-Injection Molding and Spray Coating Techniques

The purpose of this report was to develop novel balloon-expandable self-lock drug-eluting poly(ε-caprolactone) stents. To fabricate the biodegradable stents, polycaprolactone (PCL) components were first fabricated by a lab-scale micro-injection molded machine. They were then assembled and hot-spot welded into mesh-like stents of 3 and 5 mm in diameters. A special geometry of the components was designed to self-lock the assembled stents and to resist the external pressure of the blood vessels after being expanded by balloons. Characterization of the biodegradable PCL stents was carried out. PCL stents exhibited comparable mechanical property to that of metallic stents. No significant collapse pressure reduction and weight loss of the stents were observed after being submerged in PBS for 12 weeks. In addition, the developed stent was coated with paclitaxel by a spray coating technique and the release characteristic of the drug was determined by an in vitro elution method. The high-performance liquid chromatography analysis showed that the biodegradable stents could release a high concentration of paclitaxel for more than 60 days. By adopting the novel techniques, we will be able to fabricate biodegradable drug-eluting PCL stents of different sizes for various cardiovascular applications.     

Stents: Biomechanics,Biomaterials, and Insights from Computational Modeling

Coronary stents have revolutionized the treatment of coronary artery disease. Improvement in clinical outcomes requires detailed evaluation of the performance of stent biomechanics and the effectiveness as well as safety of biomaterials aiming at optimization of endovascular devices. Stents need to harmonize the hemodynamic environment and promote beneficial vessel healing processes with decreased thrombogenicity. Stent design variables and expansion properties are critical for vessel scaffolding. Drug-elution from stents, can help inhibit in-stent restenosis, but adds further complexity as drug release kinetics and coating formulations can dominate tissue responses. Biodegradable and bioabsorbable stents go one step further providing complete absorption over time governed by corrosion and erosion mechanisms. The advances in computing power and computational methods have enabled the application of numerical simulations and the in silico evaluation of the performance of stent devices made up of complex alloys and bioerodible materials in a range of dimensions and designs and with the capacity to retain and elute bioactive agents. This review presents the current knowledge on stent biomechanics, stent fatigue as well as drug release and mechanisms governing biodegradability focusing on the insights from computational modeling approaches.     

Maverick型人工椎间盘的生物力学研究

在＂中国力学虚拟人＂模型库中选择L4-L5基本功能单元,对新型的Maverick型人工椎间盘假体进行了生物力学研究。在相同的边界条件和加载作用下比较正常组和假体植入后椎体皮质骨、松质骨上的应力变化,比较L4和L5两椎体间的相对运动范围和小关节上受力变化。其结果从生物力学角度证实了Maverick型假体可以重建椎间盘高度,满足椎体间相对运动的要求。但由于假体材料属性与椎体骨组织的属性相差很大,假体植入后会引起椎体骨应力的改变,增加小关节的受力,因此其远期的疗效还需要通过随访进一步研究。     

Effects of Scleral Stiffness Properties on Optic Nerve Head Biomechanics

The biomechanical environment within the optic nerve head, important in glaucoma, depends strongly on scleral biomechanical properties. Here we use a range of measured nonlinear scleral stress–strain relationships in a finite element (FE) model of the eye to compute the biomechanical environment in the optic nerve head at three levels of intraocular pressure (IOP). Three stress–strain relationships consistent with the 5th, 50th and 95th percentiles of measured human scleral stiffness were selected from a pool of 30 scleral samples taken from 10 eyes and implemented in a generic FE model of the eye using a hyperelastic five-parameter Mooney-Rivlin material model. Computed strains within optic nerve head tissues depended strongly on scleral properties, with most of this difference occurring between the compliant and median scenarios. Also, the magnitudes of strains were found to be substantial even at normal IOP (up to 5.25% in the lamina cribrosa at 15 mmHg), being larger than previously reported values even at normal levels of IOP. We conclude that scleras that are “weak”, but still within the physiologic range, will result in appreciably increased optic nerve head strains and could represent a risk factor for glaucomatous optic neuropathy. Estimations of the deformation at the optic nerve head region, particularly at elevated IOP, should take into account the nonlinear nature of scleral stiffness.     

一种用于膝关节生物力学研究的屈曲运动加载系统

针对膝关节生物力学特性研究的重要意义,设计和构建一种膝关节屈曲运动加载系统。系统由驱动装置、控制装置、判定屈曲角度的图像系统三部分构成。驱动装置包括步进电机和由一系列夹具、活杆等部件构成的传动机构,传动机构在步进电机的带动下驱动膝关节做屈曲运动。驱动装置的运行则通过由单片机、计算机、RS232等构成的控制装置实施控制。采用图像处理技术快速判断屈曲运动的角度,从而对屈曲运动进行反馈控制,实现了对膝关节屈曲运动的速度、幅度和时间长度的精确加载并对运动中屈曲角度的快速非接触式测定。该系统构造简单,易于操作,精度和可靠性较高,为研究膝关节动态生物力学特性,以及辅助膝关节患者术后恢复训练等提供了一种重要的工具。     

典型胸主动脉裸支架的力学性能

目的 研究两种胸主动脉镍钛裸支架（Ze、Fa支架）的力学性能,为裸支架的设计和临床选择提供理论依据。方法建立两种裸支架的有限元模型和实物模型。分别完成两种裸支架弯曲、径向力和模拟使用的有限元分析,并进行对应的实物模型测试。通过实测结果验证有限元分析的准确性,预测支架植入后血管的应力和应变。结果 有限元分析表明,Ze、Fa支架弯曲90°时截面扁平率分别为3.83%和18.83%（实测为8.57%和14.27%）,弯曲180°时截面扁平率分别为12.02%和23.72%（实测为14.37%和23.35%）。Ze、Fa支架在心脏收缩期最大径向力分别为33、429 N/m（实测为31、433 N/m）,在心脏舒张期最大径向力分别为27、146 N/m（实测为29、179 N/m）。Ze、Fa支架在植入后对血管造成的最大应力分别为4、18 kPa,最大应变分别为4.17%和13.92%,最大直径扩张率分别为103%和898%。有限元分析和实测结果无显著性差异（P>0.05）。结论Ze、Fa支架植入后对健康血管造成的最大应力、应变在许可范围内。Ze支架的弯曲性能较优,适合被植入弯曲血管。Ze支架径向力较弱,适合被作为仅提供内膜支撑的Petticoat支架。较强的径向力有助于加强Fa支架在血管内的稳定性,降低脊髓缺血风险,故Fa支架适合被作为限制性裸支架。     

生物力学型下颌骨假体的设计及生物力学评价

基于人体生物力学特性的研究成果,针对下颌骨大型节段型缺损,设计了符合人体下颌骨生物力学特性的植入式钛假体,该假体起到了恢复缺损下颌骨的连续性和生物力学的传导的作用,并采用有限元方法对假体进行了生物力学评价,下颌骨结果表明:假体的设计符合人体生物力学传导特性,研究结果对临床有一定的指导意义.