预变形对CoCr合金冠脉支架力学性能的影响

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冠脉支架植入术是在经皮穿刺腔内冠状动脉成形术的基础上，治疗心肌梗塞或冠脉狭窄的有效的治疗方法之-。目前，该技术已成为心血管治疗领域研究的热点。使用时，在球囊导管的球囊上套上-个紧缩的金属支架，当带支架的球囊到达病变血管内后，对球囊施压使其膨胀 ，支架被撑开，然后球囊收缩回撤，而支架则留在受染部位，起到支撑血管的作用。

- 个完整的冠脉支架扩张过程包括植入前的支架压握收缩 、支架自由扩张和支架与狭窄血管接触后共同扩张三个连续阶段。 此，对支架的以上 次弹塑性变形过程，有必要讨论预变形对材料的扣伸强度极限和延伸率等力学性能的影响。文献[ 研 究了扩张过程中球囊和支架之间的相互作用，以及不同加载速度对支架扩张性能，轴向短缩率和应力/应变分布的影响。文献咖利用计算机仿真模拟方法计算了冠脉支架的扩张过程的力学性能。文献l 0用有限元分析了冠脉支架的扩张变形过程。文献听 用有限元分析方法对冠脉支架结构进行了优化设计。文献 对冠脉支架的有限元分析的接触条件和动脉模型进行了观测。文献 对冠脉支架的植入过程进行了有限元分析。文献l8J0提出了冠脉支架耦合扩张的有限元模型，研制了冠脉支架的体外力学性能测试装置，实验研究了冠脉支架植入过程的扩张力学性能。

然而，以上的研究过程中，支架都没有被压缩变形，而是直接采用了用球囊进行扩张变形的分析方法。文献对冠脉支架的疲劳强度分析时，先压缩后再进行了扩张变形，比较接近实际临床使用过程。预变形对合金的组织与机械性能的影响有很多的报道，但是，预变形对 CoCr合金的机械陛能的影响尚没有报道。因此，研究对广泛使用的CoCr合金冠脉支架的植入前压缩和扩张过程进行了试验研究，对支架临床应用中的力学性能建立了正确的测试方法，对两种模型进行了定量压缩后再进行拉伸试验，分析了预变形对材料机械性能的影响。

2试验2.1试验材料试验的材料为CoCr合金，它具有密度高、机械性能优良、耐磨性好、良好的显影l生以及生物相容性等特点，从而CoCr合金已经被广泛地应用到医疗器械开发领域。因此，支架壁厚可以设计得更薄，支架横截面积及体积更小，也可提高柔顺性和输送性，使支架可以被植入到更-Ht/]，的血管内。本试验模型使用的材料为来稿日期：2012-04-09基金项目：国家自然科学基金项目(81160186)；内蒙古自然科学基金项目(2011BS0708)；内蒙古自治区高等学衅学研究项目(NJZY11077)；内蒙古工业大学科学研究项目(ZD201109)作者简介：冯海全，(1972-)，男，蒙古族，呼和浩特市，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：精密机械设计理论及J应用研究第2期 冯海全等：预变形对CoCr合金冠脉支架力学性能的影响CoCr-L605合金钢管(Co-Cr-W-Ni合金)，其主要物理属性和机械I生能，如表 1所示。

表 1 CoCr合金机械性能Tab.1 Mechanical Propey for CoCr Aloy弹性模量屈服强度强度极限延伸率密度2.2试验设备加工设备为美国LPL A1-3000激光雕刻机；测试试验机为日本 SHIMADZU制 EZ-S数字式万能拉伸试验台；数据采集器为 KYOWA电工制 DBU-120型应变信号采集卡 ；传感器为KYOWA电工制 PCD-300B型传感器。

2.3试验模型用 CoCr合金钢管制作了两种试验模型。模型-为 CoCr合金钢管，外径 1.55ram，壁厚 O.10mm，长 150mm，如图 1所示。为了真实反映临床应用中的支架变形特点，制作了模型二：用激光雕刻机对 CoCr合金钢管进行切割，得到冠脉支架支撑体结构模型，如图2所示。

图 1 CoCr合金钢管Fig.1 Steel Tube of CoCr Alloy图2支架支撑体Fig.2 Supposing Structure for the Stent2。4试验方法试验模型在轴向上被压缩或拉伸时中央部位会发生较大的变形，为了避免拉伸时在夹具端 口部位发生断裂，试验模型两端装夹部位插入了与 CoCr合金钢管内径(1.35ram)相同的不锈钢钢丝。钢管试验模型中央部位被拉伸有效长度为 50mm，两端插入钢丝长度各为 50ram，如图 3所示。对试验模型-在拉伸前分别进行了O%，5%，10%的预压缩变形 ，再进行拉伸试验，每组试验进行了三次，然后取其平均值计算试验指标。对试验模型二先进行了定量的压缩(1mm)后再进行拉伸试验，由于支架支撑体试验模型试验结果偏差较大，每组试验都进行了五次，然后取其平均值计算试验指标。

2.5试验指标强度极限： /S (1)延伸率：8l/L (2)屈服强度： /S (3)式中： 厂 强度极限，MPa； m最大载荷，N；S-横截面积 ，mm ；6-延伸率，%；H 莫型被拉伸长度，llm；L-模型有效长度，ram； -屈服点的载荷，N；o- 屈服强度，MPa。 。

图3试验模型夹持方法Fig.3 Clamping Method to Experimental Stent Model3试验结果与分析3.1 CoCr合金钢管模型CoCr合金钢管模型有无预变形的拉伸试验结果的平均值，如表 2所示。每次试验分别进行了三次。表中A，B和 C分别代表预压缩变形量为 0%，5%和 10%的模型。曰和 C模型的拉伸屈服强度分别从原来的 503MPa(A模型)下降到了459MP和453MP。

CoCr合金材料受到压缩屈服后，继续加载将会产生-定量的塑性变形 ，卸除压缩载荷继续承受拉伸载荷时，其拉伸屈服强度小于原来的压缩屈服强度。这种拉伸屈服强度明显小于压缩屈服强度的鲍辛格效应，虽有些波动，但基本不依赖于预变形量。

表 2 CoCr合金钢管试验结果Tab.2 Experimental Result for CoCr Aloy Steel Tube通过试验获得的模型- CoCr合金钢管拉伸曲线，如图4所示。图中分别表示预压缩变形量为 0%，5%和 10%时的载荷与被拉伸长度之间的关系。在塑性变形区域内应力与应变关系是非线性的，这是由于在预变形阶段金属内部晶粒位移造成了残余内应力引起的♂果显示，有预变形的两种试验模型 B和 C的延伸率和拉伸长度都有了明显的变化，延伸率分别从原来的 55.6%下降到了47.8%和 37.6%；拉伸长度分别从原来的27.8mm下降到了23.9mm和 1 8.8ram。但是，预变形对材料的强度极限和断裂载荷基本无影响。

拉伸长度(mil1)图4 CoCr合金钢管拉伸试验曲线Fig.4 Tensile Test Curve of CoCr Aloy Steel Tube3-2支架支撑体试验模型对于支架支撑体试验模型二，试验结果，如表 3所示♂果显示 ，有预变形的试验模型 E的拉伸长度和断裂载荷都有了下降趋势，尤其强度极限有了明显的下降，强度极限从原来的890MPa下降到了750MPa。在模型-CoCr合金钢管的拉压试验1 12 机械设计与制造No.2Feb.2013中并没有得到相同的结果。同-种材料制成不同形状的试验模型，得到不同的试验结果，这不仅与试验模型的形状有关系，更主要的原因是加工硬化引起的可能性更大。然而拉伸长度下降的趋势是与钢管模型的试验结果是相吻合的。支架在弯曲变形过程中，支撑体的变形也是被拉伸或压缩的。在众多的支架变形过程方面的有限元分析论文中也曾被报道过 。因此，该试验结果对支架变形过程的力学性能分析具有-定的参考价值。

表 3支架支撑体模型试验结果Tab.3 Experimental Result for Stent Supporting Structure3.3试验分析在压缩变形时部分支架支撑体试验模型出现了断裂现象，如图 5所示。南于激光切割后并没有进行后处理，表面的加工残余内应力的作用下，导致过早发生断裂现象。因此进行电解抛光和钝化处理，消除残余内应力后再进行拉伸试验。在实际的支架压握和使用过程中未曾出现断裂现象，这是由于电解抛光和钝化处理时，横截面积减少-半，把表面残余内应力消除的原故。

图5压缩时的断裂现象Fig.5 Compression Induced Fracture使用支架模型进行拉压试验更接近实际变形过程 ，但是由于支架本身尺寸非常小，目前未有很好的测量方法和试验仪器能够准确测出支架表面上的应力与应变，所以采用简化模型的方法，进行了定量分析。如果采用支架在其轴线方向进行压缩与拉伸试验，由于没有合适的夹具和装夹方法，不能进行定量的压缩与拉伸，并且很难分辨出变形和承载部位，如图6所示。

(a)压缩状态 (b)拉伸状态图6支架压缩试验Fig.6 Compression Test of Stents4总结考虑到支架介入治疗过程中，CoCr合金支架已被广泛使用的事实，提出了支架材料模型和支撑体模型的体外压缩-拉伸试验研究的解决方案，进行了预压缩后再进行拉伸试验，揭示了预变形对材料机械陛能影响的规律。通过建立-个正确的测试方法来评估产品状态中的力学性能，掌握压缩-拉伸变形时的材料应力/应变变化规律。得到CoCr合金材料的屈服强度和延伸率受预变形影响的结论，这为实际的冠脉支架的设计和生产具有重要的指导意义。