榫卯结构锌合金支架力学性能的有限元分析

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支架介入手术是心血管疾病的主要治疗手段。生物可降解支架可以解决永久性支架与血管之间存在的不良反应,引领了下一代支架的发展。其中可降解锌合金材料由于其出色的生物相容性以及适中的降解时间,是当今可降解支架材料的研究热点。然而,可降解材料的改善并不能解决可降解支架普遍存在的支撑性能不足的问题。目前常见的支架结构因其设计方法单一,无法为可降解支架提供足够的支撑性能。所以需要对支架的结构进行改进,以此来提高可降解支架的支撑性能。本课题基于可降解锌合金材料,设计新型血管支架结构以提高可降解支架的支撑性能;通过有限元数值模拟软件,分析探究榫卯结构支架的力学性能及对狭窄血管的治疗效果。本文研究内容分为四个部分:第一,从减小支架径向回弹率出发,设计了一款具有榫卯结构的螺旋环状新型支架来提高支架的径向支撑性能;第二,采用有限元分析方法,模拟了榫卯结构支架的“压握-扩张-回弹”过程,并且对比相同质量及尺寸接近的普通结构支架,测试榫卯结构支架是否具有更好的支撑性能;第三,分析榫卯结构支架对狭窄血管的支撑效果,根据问题对榫卯结构支架进行了结构改进并进行模拟分析;第四,从减少支架的轴向伸长率的角度,设计了一款低轴向伸长率的血管支架,通过约束支架的轴向伸长来提高支架的支撑性能。从支架的扩张实验结果可以发现:首先,榫卯结构支架可以从一个开放的螺旋环状结构被压缩成一个小尺寸的近圆环形结构,且保持了结构的完整性。随后,在球囊的位移扩张下,支架形成榫卯结构完成扩张,整个过程支架所受应力的最大值均小于支架材料的强度极限440 MPa。在0.35 MPa的压力测试下,扩张后的榫卯结构支架对比扩张后的普通结构支架径向回弹率降低了70.7%。在扩张狭窄血管的实验中,发现了榫卯结构支架存在着扩张压力过大以及支架的榫卯结构无法形成的问题。根据这两个问题,我们对榫卯结构支架的几何结构进行了改进:减少支架的厚度与宽度、去掉支架弯曲程度过大的部分、降低了榫卯结构支架末端的强度。通过实验可以发现:改进后的榫卯结构支架扩张压力大幅下降,由12 MPa降低至2 MPa。虽然改进后支架的榫卯结构无法完全形成,但依然对狭窄血管起到了支撑作用,血管的狭窄率从40%降低至31.8%。各实验的分析结果表明:榫卯结构支架能很好地被压握和扩张,并且对狭窄血管具有很好的支撑性能。如果对其结构进行进一步的完善和改进,将对可降解锌合金支架的设计做出贡献。
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