Mg-Zn-Y-Nd合金冠脉支架降解过程的模拟.pdf 8页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#Mg-Zn-Y-Nd合金冠脉支架降解过程的模拟**井帅涛，朱世杰，王剑锋，关绍康（郑州大学材料科学与工程学院，郑州450001）5摘要：镁合金冠脉支架的降解速率过快导致镁合金冠脉支架很难满足支架服役周期而要求，通过改善支架材料性质以及支架几何参数则可以在一定程度上提高镁合金的降解性能。通过有限元模拟的方法，研究了支架几何参数对支架降解性能的影响。通过对支架连接筋的对照分析，发现L型连接筋的降解性能优于S型连接筋的降解性能。支架结构造成了支架降解速率的不均匀分布，降解速率最快处位于支架的圆弧过渡处、支撑单元与连接筋过渡处以及10支撑单元两U型环结合处。通过动态降解实验，发现动态降解实验结果与模拟结果基本吻合，但S型连接筋与L型连接筋均匀交叉分布时，S型连接筋降解性能优于L型连接筋降解性能。关键词：镁合金；冠脉支架；有限元；降解性能中图分类号：TP391.915SimulationfortheDegradationProcessofMg-Zn-Y-NdAlloyCoronaryStentJINGShuaitao,ZHUShijie,WANGJianfeng,GuanShaokang(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ZhengzhouUniversity,450001)20Abstract:thedegradationprocessofmagnesiumalloycoronarystentistoofasttomeettherequirementlife.However,thedegradationperformancecanbeimprovedthroughpromotingthepropertiesofthematerialandoptimizingthestentstructure.Theeffectofthestentgeometrymodelondegradationperformanceisstudiedbyfiniteelementmethod.ThedegradationperformanceofSlinksissuperiortothedegradationofLlinks.Thestructureleadtotheunevendistributionofdegradationrate.The25degradationrateinarctransitionarea,thetransitionbetweensupportstrutandthelinksandthejointbetweentwoU-modelstructuresarefasterthantheothers.ExperimentsondynamicdegradationinSBFsolutionareconductedtoverifythedegradationsimulationandtheresultsareconsistwiththesimulation.However,whentheSlinkandLlinkareorderlydistributedinastent,thedegradationperformanceofSlinkisbetterthantheLlink.30Keywords:magnesiumalloy;coronarystent;finiteelement;degradationperformance0引言镁合金冠脉支架被誉为最具潜力的新型可降解支架之一，其无论综合力学性能，还是生35物相容性在众多可降解支架备选材料中都占据极大优势，因此得到了众多科研人员的关注.冠脉支架能否成功进入临床应用受很多因素的影响，如材料性能，结构的压握扩张性能、柔顺性能、疲劳性能，支架植入后与血液、血管的耦合性能等，而对于镁合金冠脉支架，降解性能是限制其进入临床应用的最关键问题。目前关于镁合金冠脉支架的降解性能研究，主要采用极化实验、浸泡、失重、析氢、动物实验等手段探究镁合金材料模拟体液中的降解性[1][2]40能。邓希光探究了SBF溶液中不同离子对镁合金腐蚀性能的影响。Heublein等将不同筋基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20134101130002)作者简介：井帅涛(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向：生物器件的数值模拟通信联系人：关绍康（1962-），男，博士，教授，博士生导师。主要研究方向：轻合金及精密加工，生物材料及器件.E-mail:skguan@zzu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[3]宽及外径的镁合金支架植入猪冠状动脉中，研究其腐蚀性能。Lu等通过将镁合金药物洗脱支架浸入PBS溶液24小时来评估其降解特征。然而也有一些科研人员通过有限元模拟的[4]方法来进行镁合金支架的降解性能评估。齐民通过假定支架均匀降解，支架截面尺寸有序[5]变化，探究了不同截面支架降解过程中应力分布的变化情况。李秀娟则在分析模拟体液各45种离子浓度对镁合金降解性能的影响的基础上，采用CFD探究了流体动力学对镁合金血管[6~8]支架的降解性能影响。J.A.Gorgan等根据连续损伤机制，利用有限元方法研究了降解导[9~10]致的微尺度几何不连续性对支架机械完整性的影响。D.Gastaldi通过建立均匀腐蚀和应力诱导腐蚀模型，对镁合金血管支架进行了降解模拟。本文针对冠脉支架所采用镁合金材料在模拟体液中发生均匀腐蚀和点蚀的特点，采用李[5]50的支架降解模型，对不同结构的镁合金冠脉支架进行降解性能模拟，并采用动态模拟体液降解实验对不同结构类型冠脉支架的模拟结果进行实验验证。1材料与方法1.1降解数值模拟方程建立1.1.1镁合金腐蚀机理55数值模拟结果的准确性很大程度上决定于其模拟与实际情况的契合度，针对国内外有限元降解模拟现状，对冠脉支架所采用镁合金材料进行了模拟体液浸泡一天后扫描电镜观察，结果显示Mg-Zn-Y-Nd合金的腐蚀形式主要为均匀腐蚀和点蚀，根据这一现象发现李的数值模拟方程最能反映材料的腐蚀本质。[5]根据镁合金腐蚀机理，以及化学反应平衡式及化学反应速率式，李的文献中将镁合金60的腐蚀速率表示为：λ2−λ1∂c2V=10.885•k[]OH•c−−D+csvν•ρ()Sc3/τ•exp()EF/RTas∂rr=R（1）1.1.2降解模型实验参数获取针对镁合金的腐蚀速率方程，还需要通过实验和有限元模拟方式获取，其中阳极反应级数λ1、λ2可通过不同氯离子浓度及不同pH下极化实验获得。如图2、3所示为镁合金在不65同氯离子浓度及不同pH的模拟体液中的极化曲线。这一结果也反映了模拟体液中不同离子对镁合金腐蚀速率的影响，其中氯离子与镁合金腐蚀速率呈正相关关系，而pH对腐蚀则呈负相关关系。采用文献所采用方式对实验数据进行处理，最终获得阳极反应级数λ1、λ2分别为-0.446和0.438。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn70图1不同氯离子浓度的极化曲线图2不同pH下镁合金的极化结果Fig.1PolarizationcurveofdifferentchlorideconcentrationFig.2PolarizationcurveofdifferentpH1.2几何模型本文利用Pro/E软件对冠脉支架进行建模，首先采用自下而上的建模方法，由点生成线，再由线生成面，先生成包含一个支撑体和连接筋的支架单元，然后对该单元进行阵列处理，75获得六个支撑体和连接筋的平面支架结构，最后对平面支架结构进行环形折弯得到最终需要的立体的冠脉支架模型。利用该方法本文构建了三种类型的血管支架模型，根据连接筋形状分别为命名为S型支架，L型支架和SL型支架，所建立冠脉支架模型内径为2.52mm，外径为2.84mm，厚度分别为0.16mm，。而后建立血管模型，血管内径与支架外径尺寸相同，通过Pro/E装配体操作后，而后通过布尔运算，最终获得流体域模型。支架模型及流体域模80型如图所示。(a)Sstent(b)Lstent(c)SLstent(d)Lstentfluiddomain图3支架三维模型和流体域三维模型Fig.3Three-dimensionalmodelofstentandfluiddomain：851.3网格划分本文采用ICEM-CFD来进行网格划分，选用Tetra/Mixed网格类型，此方法能够很好的处理精细部分的网格，为了更好的反映边界条件，设置4层边界层网格。通过定义inlet、outlet、wall三个平面，并设置网格尺寸，对流体域进行了网格划分，入口、出口、壁面的最大全局网格尺寸设置为0.3、0.3、0.05。网格划分完后对网格质量进行检查，删除质量较差的网格。901.4边界条件通过添加变量方式添加血液流体及附加变量氯离子浓度，其中血液属性假定为均质牛顿流体，密度为1060kg/m3，动力学粘度为0.0035Pa，设置氯离子浓度的单位为mol/L。采用-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn压强控制的方式对入口流体流动状态进行设置，其中压强控制方程如式所示，入口的氯离子浓度为146mol/L，血液流动采用κ-ε模型，出口采用相对压强，设置为0Pa，壁面采用无95滑移平滑壁面，该处初始氯离子浓度为0mol/L，离子传输方程为TransportEquation，传质系数为9.62×10-8m/s；初始状态，流速为0，氯离子浓度为146mol/m3。3()3P=−0.6×10∗cost∗4∗pi+0.6×100≤t≤0.5(1.2)P=00.5