一體化編織型血管覆膜支架的壓縮性能

鄒秋華， 林 婧， 關(guān)國(guó)平， 王富軍， 王 璐

(東華大學(xué) a.紡織學(xué)院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

一體化編織型血管覆膜支架的壓縮性能

鄒秋華a， b， 林 婧a， b， 關(guān)國(guó)平a， b， 王富軍a， b， 王 璐a， b

(東華大學(xué) a.紡織學(xué)院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

采用新型編織技術(shù)制備了螺旋平行分布和交叉分布的4種不同結(jié)構(gòu)的一體化血管覆膜支架，研究支架不同結(jié)構(gòu)與其平面壓縮性能的關(guān)系，考察不同壓縮測(cè)試條件(壓縮和回復(fù)速率以及壓縮停滯時(shí)間)對(duì)支架的徑向壓縮強(qiáng)力、應(yīng)力松弛率和彈性回復(fù)率的影響，綜合評(píng)價(jià)其壓縮性能.結(jié)果表明：小節(jié)距同向螺旋平行分布血管覆膜支架(A2)具有壓縮強(qiáng)力較高、應(yīng)力松弛率最小、彈性回復(fù)率高，故其壓縮性能最好；隨著壓縮停滯時(shí)間的延長(zhǎng)，大節(jié)距同向螺旋平行分布血管覆膜支架(A1)和交叉分布血管覆膜支架(B1和B2)的應(yīng)力松弛率明顯增加，且彈性回復(fù)率降低.

血管覆膜支架； 壓縮性能； 應(yīng)力松弛； 彈性回復(fù)率

隨著介入醫(yī)療技術(shù)日趨成熟，以鎳鈦合金為基礎(chǔ)的微創(chuàng)醫(yī)療器械被廣泛應(yīng)用于臨床[1].人工血管覆膜支架在治療動(dòng)脈瘤等動(dòng)脈擴(kuò)張性疾病，動(dòng)脈粥樣硬化、狹窄等血管閉塞性疾病中都有廣泛應(yīng)用[2].據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的血管疾病患者，且血管疾病的發(fā)病率也逐年提高，血管支架系統(tǒng)作為其治療的關(guān)鍵技術(shù)，具有重要的研究?jī)r(jià)值.

壓縮性能是血管支架的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo).鎳鈦合金在植入人體后，會(huì)受到脈動(dòng)壓力以及血管壁的壓力等作用.若徑向支撐力不足，支架在血管內(nèi)釋放后，不能很好地貼附于血管內(nèi)壁，易發(fā)生移位[3].若徑向支撐力過(guò)高，對(duì)血管內(nèi)壁產(chǎn)生較大的外推力，會(huì)對(duì)血管內(nèi)壁造成損傷[4]，引發(fā)內(nèi)膜增生和再狹窄等并發(fā)癥.

血管支架的徑向支撐力是血管支架性能的重要指標(biāo)，其量化表征具有重要臨床意義.目前，還沒(méi)有針對(duì)徑向支撐性能的相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和表征體系.常用的支架體外測(cè)試方法包括平面壓縮、V型槽壓縮[5]和周向壓縮[6-7]等，其中平面壓縮法應(yīng)用最為廣泛.

一體化血管覆膜支架是由異質(zhì)材料(滌綸和鎳鈦合金)采用紡織編織技術(shù)制成的新型覆膜支架[8].傳統(tǒng)覆膜支架由金屬支架和覆膜織物通過(guò)縫合的方式結(jié)合，而新型一體化血管覆膜支架將金屬絲和紗線(xiàn)通過(guò)紡織技術(shù)一次成型，覆膜和支架彼此交疊.本文擬采用平面壓縮法對(duì)制備的新型一體成型編織血管覆膜支架的壓縮性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究一體化血管覆膜支架不同結(jié)構(gòu)與壓縮性能的關(guān)系，深入考察壓縮測(cè)試技術(shù)參數(shù)(壓縮速率和停滯時(shí)間)對(duì)該類(lèi)血管覆膜支架的壓縮強(qiáng)力、彈性回復(fù)率和應(yīng)力松弛率的影響規(guī)律，為一體化血管覆膜支架的進(jìn)一步研發(fā)提供參考.

1 材 料

將超彈鎳鈦合金絲(榮邦新材料科技有限公司)預(yù)先進(jìn)行熱處理，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTMF2516對(duì)鎳鈦合金的超彈性進(jìn)行測(cè)試.熱處理后的鎳鈦合金絲具有良好的超彈性，其基本參數(shù)：楊氏模量為55.4 GPa，上下平臺(tái)應(yīng)力分別為409.2 MPa和139.2 GPa，殘余應(yīng)變?yōu)?.15%.以滌綸復(fù)絲(66.7 tex/192 f)和熱處理后的鎳鈦合金絲為原料，采用東華大學(xué)生物醫(yī)用紡織品實(shí)驗(yàn)室的32錠編織機(jī)，制備出4種不同結(jié)構(gòu)(A1， A2， B1， B2)的滌綸/鎳鈦絲復(fù)合支架，復(fù)合支架的內(nèi)徑均為6 mm.

2 測(cè)試方法

2.1 血管支架的結(jié)構(gòu)參數(shù)

(1) 鎳鈦合金絲編織角和節(jié)距.通過(guò)體視顯微鏡(PXS8-T型，上海測(cè)維光電技術(shù)有限公司)觀察一體化血管覆膜支架的結(jié)構(gòu)特征，包括鎳鈦合金絲在復(fù)合支架中的分布.根據(jù)顯微鏡拍攝的圖片，使用MB-Ruler軟件得到鎳鈦合金絲的編織角以及相鄰的平行鎳鈦合金絲間的距離(節(jié)距).

(2) 內(nèi)徑、外徑和壁厚.用游標(biāo)卡尺分別測(cè)出一體化血管覆膜支架的內(nèi)徑和外徑，并計(jì)算得出壁厚.

(3) 鎳鈦合金質(zhì)量分?jǐn)?shù).對(duì)A1、 B1、 A2、 B2共4種支架各截取1 cm，用電子天平(精確度為0.0001 g)稱(chēng)重，用鑷子將該段支架中的鎳鈦合金絲和滌綸復(fù)絲分離開(kāi)來(lái)，并分別稱(chēng)重，計(jì)算支架中鎳鈦合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

2.2 血管支架的壓縮性能測(cè)試

選用YG 061型徑向壓縮儀(萊州電子儀器有限公司)測(cè)試支架的徑向壓縮性能.壓縮儀的工作原理如圖1所示，支架放置于測(cè)試工作平臺(tái)上，在測(cè)試過(guò)程中壓腳位置保持不變，通過(guò)下方測(cè)試工作平臺(tái)的升降對(duì)血管支架進(jìn)行壓縮作用力的加載和卸載.壓腳連接傳感器，并與計(jì)算機(jī)軟件聯(lián)機(jī)，從而獲得壓縮過(guò)程的力值變化曲線(xiàn).典型壓縮曲線(xiàn)如圖2所示.

圖1 壓縮儀工作示意圖

Fig.1 Applied compression tester

圖2 典型壓縮曲線(xiàn)

Fig.2 Compressive stress-strain curves

在平面壓縮法中，壓縮性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括壓縮強(qiáng)力、彈性回復(fù)率、應(yīng)力松弛率等.壓縮強(qiáng)力，即以v1壓縮速率加載至壓縮距離(s)(圖2，ae段)時(shí)的壓縮強(qiáng)力，反映血管支架的抗擠壓能力；彈性回復(fù)率，即壓縮加載至管徑50%后以v2回復(fù)速率卸載后，管徑變化與原管徑的百分比，反映血管支架受外力擠壓后回復(fù)原狀的能力；應(yīng)力松弛率，即壓縮加載至s時(shí)，壓縮停滯一定時(shí)間(t)，應(yīng)力隨時(shí)間延長(zhǎng)而衰減的百分率.

本文采用定距離壓縮測(cè)試方法對(duì)支架的徑向壓縮性能進(jìn)行測(cè)試，壓縮距離s為一體化血管覆膜支架外徑的50%.選取直徑為5 mm圓柱形壓腳，將試樣置于測(cè)試平臺(tái)上，設(shè)定不同的壓縮速率v1、回復(fù)速率v2、停滯時(shí)間t進(jìn)行徑向壓縮和回復(fù)性能測(cè)試.第一組試驗(yàn)考察相同停滯時(shí)間條件下，不同的壓縮速率v1和回復(fù)速率v2對(duì)支架壓縮性能的影響，測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表1所示；第二組試驗(yàn)考察相同壓縮速率v1和回復(fù)速率v2條件下，停滯時(shí)間對(duì)支架壓縮性能的影響，測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表2所示.試驗(yàn)樣本數(shù)為5個(gè).

表1 不同壓縮和回復(fù)速率下的壓縮測(cè)試參數(shù)

表2 不同停滯時(shí)間下的壓縮測(cè)試參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 血管支架的結(jié)構(gòu)參數(shù)

一體成型血管覆膜支架的結(jié)構(gòu)特征如圖3所示，其中，支架A1和A2中鎳鈦合金絲是同向螺旋平行分布，而支架B1和B2中的鎳鈦合金絲是雙向交叉分布.A型支架(A1， A2)表面比較平坦，而B(niǎo)型支架(B1， B2)的鎳鈦合金絲交叉起伏，導(dǎo)致表面凹凸不平.4種一體化血管覆膜支架的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示.

圖3 一體化血管覆膜支架的結(jié)構(gòu)特征Fig.3 Structural characters of integrated stent grafts

參數(shù)A1B1A2B2編織角/(°)70657065鎳鈦合金絲的節(jié)距/mm1.973.510.912.13鎳鈦合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%29.1929.9149.5748.69支架外徑/mm6.87.06.87.2最大壁厚/mm0.400.500.400.60

3.2 血管支架的壓縮性能

3.2.1 壓縮速率對(duì)壓縮強(qiáng)力的影響

4種不同血管覆膜支架在不同壓縮速率下的壓縮強(qiáng)力如圖4所示.由圖4可知，支架A1和B1的壓縮強(qiáng)力在250～400 cN之間，支架A2和B2和壓縮強(qiáng)力在500～800 cN之間.4種支架的壓縮強(qiáng)力由大到小的順序?yàn)锽2>A2>B1>A1，且A2和B2的壓縮強(qiáng)力分別約為A1和B1的2倍，這是由覆膜支架中不同的鎳鈦合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)引起的.此外，A1、 B1、 A2和B2血管覆膜支架各自的壓縮強(qiáng)力在不同壓縮速率下的壓縮強(qiáng)力沒(méi)有顯著性差異.

圖4 不同壓縮速率下4種血管覆膜支架的壓縮強(qiáng)力Fig.4 Compression force of four integrated stent grafts under different loading rate

3.2.2 壓縮停滯時(shí)間對(duì)應(yīng)力松弛率的影響

不同停滯時(shí)間下4種血管覆膜支架的應(yīng)力松弛率如圖5所示.由圖5可知，隨著停滯時(shí)間的延長(zhǎng)，支架A1、 B1和B2的應(yīng)力松弛率明顯提高，而A2的應(yīng)力松弛率基本保持不變.在壓縮應(yīng)變保持不變的情況下，B1和B2的壓縮應(yīng)力下降幅度較大，在停滯時(shí)間5～35 s 之間，兩者的應(yīng)力松弛率增加11%左右.由于B型支架中，鎳鈦合金絲交叉分布，在受到壓縮負(fù)荷時(shí)，隨著加載時(shí)間的延長(zhǎng)，金屬絲之間不斷產(chǎn)生滑移，從而導(dǎo)致應(yīng)力松弛率大幅增加.支架A1在停滯時(shí)間5～35 s 之間，應(yīng)力松弛率增加6%左右，而A2的應(yīng)力松弛率幾乎不變.A型支架中鎳鈦合金絲有著相同的平行螺旋結(jié)構(gòu)，但A1中鎳鈦合金絲的節(jié)距較大，在受到壓縮負(fù)荷時(shí)易發(fā)生偏移，而A2中鎳鈦合金絲之間的距離較小，抵抗滑移能力強(qiáng).

(a) A1

(b) B1

(c) A2

(d) B2

3.2.3 壓縮停滯時(shí)間對(duì)彈性回復(fù)率的影響

不同停滯時(shí)間下4種血管覆膜支架的彈性回復(fù)率如圖6所示.由圖6可知，隨著停滯時(shí)間的延長(zhǎng)，4種血管覆膜支架的彈性回復(fù)率都有所下降，且彈性回復(fù)率在停滯時(shí)間5～15 s之間和25～35 s之間下降較為明顯，而在15～25 s之間變化不明顯.在停滯時(shí)間5～35 s期間，A2和B2的彈性回復(fù)率較A1和B1高，且彈性回復(fù)率A2≥B2，兩者的彈性回復(fù)率在85%～93%之間.A1和B1在受到壓縮負(fù)荷后，易發(fā)生不可回復(fù)的變形.

圖6 不同停滯時(shí)間下4種一體化血管覆膜支架的 彈性回復(fù)率Fig.6 Elastic recovery rate of four integrated stent grafts under different relaxation time

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于平面壓縮性能測(cè)試方法，研究了4種不同結(jié)構(gòu)的一體化血管覆膜支架的壓縮性能，其中，小節(jié)距同向螺旋平行分布的血管覆膜支架(A2)壓縮強(qiáng)力較高、應(yīng)力松弛率小、彈性回復(fù)率高，顯示其具有最好的抗壓縮性能.不同壓縮速率和壓縮停滯時(shí)間對(duì)4種支架壓縮性能的影響規(guī)律如下：

(1) 壓縮速率對(duì)支架壓縮強(qiáng)力沒(méi)有顯著影響，且壓縮強(qiáng)力由大到小依次為B2>A2>B1>A1；

(2) 隨著壓縮停滯時(shí)間的延長(zhǎng)，A1、 B1和B2的應(yīng)力松弛率明顯提高，而A2的應(yīng)力松弛率基本保持不變，其具有較好的變形恢復(fù)力；

(3) 隨著停滯時(shí)間的延長(zhǎng)，4種血管覆膜支架的彈性回復(fù)率都有所下降，與其他3種血管覆膜支架相比，A2彈性回復(fù)率較高.

[1] STOECKEL D. Nitinol medical devices and implants[J]. Min lnvas Ther &Allied Technol， 2000， 9(2)：81-88.

[2] 王精兵，程永德.重視覆膜支架在外周血管病中的應(yīng)用[J].介入放射學(xué)雜志，2007，16(9)：577-579.

[3] JOHNSTON C R， LEE K， FLEWITT J， et al. The mechanical properties of endovascular stents： An in vitro assessment[J]. Cardiovascular Engineering， 2010， 10(3)： 128-135.

[4] KUMAR H R， RODRIGUEZ H E， ESKANDARI M K， et al. Mid-term outcomes of self-expanding covered stent grafts for repair of popliteal artery aneurysms[J]. Surgery， 2015，157(5)： 874-880.

[5] RIEU R， BARRAGAN P， MASSON C， et al. Radial force of coronary stents： A comparative analysis[J]. Catheterization and Cardiovascular Interventions， 1999， 46(3)： 380-391.

[6] HIRDES M M C， VLEGGAAR F P， DE BEULE M， et al. In vitro evaluation of the radial and axial force of self-expanding esophageal stents[J]. Endoscopy， 2013, 45： 997-1005.

[7] ISAYAMA H， NAKAI Y， TOYOKAWA Y， et al. Measurement of radial and axial forces of biliary self-expandable metallic stents[J]. Gastrointest Endosc， 2009， 70(1)： 37-44.

[8] 王璐，鄒秋華，林婧，等.一種編織型一體成型血管覆膜支架及其制備方法:201510081970.3[P].2015-06-10.

(責(zé)任編輯： 徐惠華)

Compression Performance of Braided Integrated Stent Grafts

ZOUQiuhuaa， b，LINJinga， b，GUANGuopinga， b，WANGFujuna， b，WANGLua， b

(a. College of Textiles； b. Key Laboratory of Textile Science & Technology， Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 201620， China)

Four integrated stent grafts with crossed or parallel spiral nitinol wires were produced by novel braiding technology. The plane compression performance of different stent construction was evaluated. The stent grafts were tested under different conditions(loading and recovery rate and relaxation time)， then the radial compression force， stress relaxation ratio and elastic recovery rate were analyzed. The results indicate that the stent graft(A2) which has parallel spiral nitinol wires and pitch length possesses best compression performance. The stent graft A2shows higher compression force， the lowest stress relaxation ratio and high elastic recovery rate. Prolonging the relaxation time， sample A1， B1and B2show significant increase of stress relaxation ratio and decline of elastic recovery.

stent graft； compression performance； stress relaxation； elastic recovery rate

2015-10-26

高等院校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助項(xiàng)目(B07024)；東華大學(xué)碩士研究生創(chuàng)新資助項(xiàng)目(EG2015042)

鄒秋華(1991—)，女，湖北隨州人，碩士研究生，研究方向?yàn)樯镝t(yī)用紡織品.E-mail： jennydhu@126.com 王 璐(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail：wanglu@dhu.edu.cn

1671-0444(2017)01-0027-04

R 318

A