（光学工程专业论文）冠脉支架的设计与激光加工.pdf

摘要 摘要 冠脉支架被广泛应用于冠心病的介入治疗中。冠脉支架的结构设计所体现的 力学特性，是影响临床效果的主要因素。鉴于冠脉支架结构的复杂性及高成本， 目前国内外对冠脉支架力学性能的研究主要侧重于有限元模拟分析，但有限元模 拟的支架力学性能结果与实际支架力学性能存在一定的差异。目前冠脉支架主要 采用激光切割方法加工，对于切割的研究，仅局限于y a g 激光对3 1 6 l 不锈钢和 镍钛合金支架切割的研究。但采用光纤激光对新一代支架平台设计所使用的钻铬 合金切割的研究较少。本文通过试验与模拟相结合的方式进行新一代支架平台设 计开发，系统的研究光纤激光切割钴铬合金支架的工艺过程，并与y a g 激光切割 质量和加工效率进行对比。 对支架结构分析和试验的结果表明，所设计支架在力学性能上不低于国际 主流支架。支架结构对支架的力学性能、输送性能、支架载药性能均有显著的影 响。不同的支架扩张方式对支架的径向和轴向变形有一定影响。支架激光切割的 功率、速度、离焦量、辅助气体压强均会对支架切缝的切口宽度、切缝表面粗糙 度产生影响。不同离焦量对切口形状有显著的影响。不同功率改变方式对切口宽 度、切缝表面粗糙度、切口形状无显著影响。与y a g 对比，切割同样的管材，采 用光纤激光在明显提高切割效率的同时，可以获得较高的切割质量。切割表面相 对y a g 激光无明显切割波纹，表面粗糙度底，切割速度相对y a g 提高2 至3 倍。 关键词：冠脉支架结构设计钴铬合金激光切割 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o r o n a r ys t e n ti sw i d e l yu s e di nc o r o n a r yh e a l td i s e a s e t h em e c h a n i c s p r o p e r t yo fs t e n ts t r u c t u r ei so n eo ft h em a i nr e a s o n st h a ta f f e c tt h ec l i n i c a lo u t c o m e a tp r e s e n t , m a n ys t u d y si ns t e n tm e c h a n i c sp r o p e r t yt h r o u g hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d h a sb e e nd o n eb e c a u s eo ft h ec o m p l e xo fs t e n ts t r u c t u r ea n de x p e n s ep r i c eo ft h es t e n t h o w e v e r , t h eo u t c o m eg e t e df r o mf i n i t ee l e m e n tm e t h o dh a v eal i t t l ed i f f e r e n tf r o m t h ea c u t u a ls t a t u s t h es t e n tm a n u f a c t u r ei sm a i n l yb yl a s e rc u t m a n yi n v e s t i g a t i o n s h a v eb e e nd o n ei nl a s e rc u t316 ls t a i n s t e e la n dn i t i n o la o l l yu s i n gy a gl a s e r c o c r a l l o ya n df i b e rl a s e ri su s e di ns t e n ts t r u c t u r ea n ds t e n tm a n u f a c t u r e ，h o w e v e rt h e r ei s l i m i t i e ds t u d yi nl a s e rc u tc o - c ra l l o ys t e n t t h i st h e s i si n v o l v e sa ni n v e s t i g a t i o ni n d e v e l o p m e n tan e ws t e n tb ye x p e r i m e n ta n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s y s t e m a t i c a l l y s t u d y i n gt h ef i b e rl a s e rc u tc o - c ra l l o ys t e n t ，a n dc o m p a r i n gt h ec u tq u a l i t yo ff i b e r l a s e ra n dy a gl a s e r t h es t e n tm e c h a n i c sp r o p e r t yi sa sg o o da st h ei n t e r n a t i o n a ll e v e lc o n f i r m e db y f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n de x p e r i m e n t w ef r e dt h es t e n ts t r u c t u r ea f f e c tt h e m e c h a n i c sp r o p e r t y , d e l i v e r a b i l i t y , a n dd r u gc a r t i n ga b i l i t y d i f f e r e n te x p e n d i n gh a s a l le f f e c ti ns t e n tt r a n s f o r m a t i o no fr a d i a la n dl o n g i t u d i n a l t h el a s e rp o w e r , c u ts p e e d ，f o u c sr e m o v e dd i s t a n c e ，a n dg a sp r e s s u r ea f f e c tt h ek e r f w i d t ha n ds u r f a c ef i n i n s h t h er e m o v e dd i s t a n c eh a sav i s i b l ee f f e c ti nk e r fs h a p e ， h o w e v e rt h el a s e rp o w e r , c u ts p e e d ，a n dg a sp r e s s u r ea f f e c tt h ek e r fs h a p eal i t t l e c o m p a r e dt oy a gl a s e r , f i b e rl a s e rc a ng e tah i g hc u ts p e e da n dam o r es o o m t h s u r f a c ew h e nc u tt h es a m et u b e t h ec u ts p e e di s2 - 3t i m e st h a nt h ey a gl a s e r , a n d t h e r ei sn ov i s i b l er i p p l ei nc u ts u r f a c ei nf i b e rl a s e r k e yw o r d s ：s t e n t , s t r u c t u r ed e s i g n , c o - c ra l l o y , l a s e rc u t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：俭内日期：洲 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 匕宝王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：矾 导师签名：铃口鸟 日期：h 毋f 二 第1 章绪论 i 置詈詈詈皇皇鲁曼鲁曼曼置 第1 章绪论 1 1 冠脉支架在冠心病治疗中的应用 冠脉支架介入生物医用材料及医疗技术是二十世纪末医学对人类文明的重 要贡献之一，在治疗冠心病方面尤为突出。心血管疾病是人类最大的杀手之一， 全球每年约有1 7 0 0 万人死于该类疾病，占到全球病死人数的三分之一。冠心病 是心血管疾病中最常见的一种疾病，它是冠状动脉粥样硬化性心脏病的简称。目 前，冠心病的治疗方法主要有药物治疗，外科搭桥手术和介入治疗。由于介入治 疗创伤小，手术危险性小，疗效明显，目前正在全世界得到越来越广泛的应用。 2 0 0 5 年全球接受介入治疗手术的患者已超过3 0 0 万例，其介入材料和器具的市场 已达到2 0 0 亿美元。2 0 0 5 年我国接受介入治疗手术的患者已超过2 5 万例，其市 场已达2 0 多亿元，预计中国介入诊疗器械市场规模在2 0 1 0 年将超过1 0 0 亿元人 民币。 美国强生公司开发的c y p h e r 雷帕酶素药物洗脱支架2 0 0 4 年被f d a 批准上市， 实现了临床里程碑式的突破，带来临床治疗的巨大进步。2 0 0 6 年c y p h e r 支架已 销售近百万支，销售额已达1 0 0 多万美元。目前国际上最为著名的支架生产厂家 主要有美国的强生公司、波士顿科学公司、美敦力公司和雅培公司四大上市公司， 他们代表了当今世界上支架产品发展的主流方向，占据国际市场6 0 左右的份额。 其中，强生公司和波士顿科学公司的药物涂覆支架治疗效果显著，获得了医生和 患者的广泛欢迎。2 0 0 5 年全球心血管支架产品规模约6 0 亿美元，预计到2 0 1 0 年，全球心血管支架的销售额将达1 0 0 亿美元。 我国的冠心病发病率虽低于发达国家，但近年来由于生活水平的提高，冠 心病患者呈增加趋势和低龄化态势。由于介入治疗工作开展较晚，接受介入治疗 的病例数无论从相对数还是绝对数都比较少。我国每年新增冠心病患者6 0 0 万例， 按照目前的发病率，病人数量将是美国的2 3 倍，但是完成介入治疗仅为美国 的1 1 0 。从市场需求来看，我国是全球最大的p t c a 球囊导管和冠脉支架产品的 潜在市场。我国冠脉支架的手术患者近年来增长很快，2 0 0 2 年约2 万例，2 0 0 4 年约8 万例，2 0 0 6 年达到1 2 万例( 其中分叉病变治疗约占1 5 一- 2 0 ) ，按平均 每位患者植入1 7 支，使用支架量达到2 0 多万支。 北京工业大学工学硕士学位论文 冠咏介入的应用经历了球囊成形术、金属裸支架、药物支架几个时代，介入 手术的成功率和手术后的再狭窄率逐渐降低，尤其是药物支架的出现极大的降低 了支架再狭窄的发生率“。冠脉支架的治疗原理为将支架通过股动脉或挠动脉输 送到冠状动脉病变部位，使支架打开将狭窄的病变部位撵开，恢复动脉供血。冠 脉支架按其膨胀原理分为球囊扩张支架和自膨胀支架”1 。球囊扩张支架是将支架 压握在输送球囊上，当支架输送到病变位置时，通过球囊加压时支架扩到指定的 直径。自扩张支架采用记忆合金材料在输送自将支架安置在输送系统内，当支架 到达指定病变位置后释放输送系统，支架则自动膨胀到原始尺 j 。目前国际四 大公司冠脉支架采用的多为球囊扩张式支架。 1 2 冠脉支架材料选择 1 2 1 理想的支架材料 理想的支架材料应当具有完全耐腐蚀、优良的生物相容性、耐疲劳、良好的 x 射线和核磁共振可视性，如图1 1 所示。 图卜l 理想支架材料的要求 f i g1 1t h ei d e a ls t e n tm a t e r i a l 第1 章绪论 1 2 2 支架材料的现状 目前使用的支架材料主要为镍钛合金，3 1 6 l 不锈钢和钴铬合金三种材料。镍 钛合金主要用于自扩张支架，目前多应用于外周血管支架，最近几年心血管支架 方面应用较少。3 1 6 l 不锈钢支架为目前市场上占主要地位，多用于球囊扩张式冠 脉支架。钴铬合金因其优越的强度，近些年来广泛受到各大厂家的青睐，成为各 大厂家研发的热点，有逐渐取代3 1 6 l 不锈钢的趋势。 钴铬合金最早作为高温合金用于飞机发动机材料，后来被用于牙科铸造合 金，之后经过改良用于人工关节材料陆】。作为植入材料，c o c r 合金在牙科、整 形外科和心血管科的应用具有很长的历史。早期的与血液相接触的相关应用有起 博器连接头、静脉血栓滤器、a a a 腹主动脉支架和自膨胀支架。钴铬合金具有长 期验证的生物相容特性，并且在冷加工状态下具有高强度嘲。在球囊扩张支架方 面应用钻铬合金近来有快速的增长。 相对于不锈钢，钻铬合金具有较高的强度和较高的可视性。较高的拉伸强度 特性可降低支架梁的宽度和厚度，使支架变得更窄、更薄，这样会形成更小的支 架剖面积和支架体积并且改进柔顺性和输送特性，进而支架可以被植入到更小的 血管处，较窄的支架可以降低再狭窄率，提高支架手术的成功率，降低病人再次 介入治疗的风险。钴铬合金与3 1 6 l 不锈钢强度对比如图1 2 所示。 芒 蒌 茔 o 图1 - 2 钻铬合金与3 1 6 l 不锈钢强度对比嘲 f i g 1 - 2t h es t r e n g t ho fc o - c ra l l o ya n d316 l s s 因其具有较高的密度因而具备了较高的x 射线成像性，提高了材料的可视性， 好的可视性使得支架在较小的支架厚度的情况下仍具有较高x 射线显影特性，提 高医生手术的方便性和成功率，在一定程度上降低支架的再狭窄率，减少病人的 痛苦和手术费用的负担。常见不同支架材料x 射线可视性对比如图1 3 所示。 一3 一 o o o o o o ” ” 如 ” 图1 - 3 不同支架材料x 射线r 的可视性 7 】 f i 9 1 - 3t h e x - r a yv i s i b i l i t yo f d i f l e r e n ts l e n l m a t e r i a l 1 2 3 冠脉支架材料的相关研究 目前冠脉药物支架囡其存在晚期血栓”等问题，国际很多研究机构与公司都 在针对这问题丌发新代的可降解支架材料。石j f 究者们报道了支架材料表面状 态和各种金属元素对血小板凝聚性和血管再狭窄的影响“。近些年国内外一些公 司和研究机构在开发材料表面具有纳米微孔的微坑载药支架，已降低支架涂层刺 激所引发的支架晚期血栓“。可降解支架材料研究目前也是个研究机构研究的热 点，其研究主要集中在金属镁合金可降解支架材料“。1 “，高分子聚乳酸聚合物可 降解非金属材料上”。目前在这两种材料的研究上己取得了大量的成果，并分别 进行了相关两种材料支架的临床试验的研究，取得了一定的临床数据。 1 3 支架结构设设计 1 3 1 支架结构设计主要指标 支架的结构设计要考虑到支架的植入过程临床机理和最后的l 临床结果，支架 的结构直接影响手术的临床结果“”。支架设计总体要求要能提供足够的支撑力 有效地对狭窄血管进行支撑；提供合理的结构设计，有效的减少支架植入过程造 成的血管壁的损伤，最大程度的防治支架因血管损伤造成的再狭窄；有效的提高 药物释放的均匀性，最大程度保证药物能均匀的释放在血管壁上获得预期的临 床效果。 支架的结构设计主要考虑以下几点： 第1 章绪论 ( 1 ) 支架的径向支撑力 支架的径向支撑力主要用于提供足够的支撑力，以保证血管打开后不再回缩 闭合。支架的径向支撑力主要与支架的材质、梁的厚度、梁的宽度和支架结 构有关。较厚和较宽的支架梁可以提供足够的径向支撑力，但增加了支架的 强度降低了支架的柔顺性，不利于支架在输送过程中通过弯曲血管和钙化病 变，并且在植入后容易使支架两端容易对血管造成损伤。 ( 2 ) 支架的柔顺性 支架的柔顺性主要是指支架输送到达病变血管的能力，保证支架输送更加容 易，较好的支架柔顺性有利于支架通过弯曲和狭窄的病变血管，易达到靶病 变和复杂病变。较好的柔顺性有利于减少支架对血管的损伤。支架的柔顺性 与支架的结构设计有关，也与支架的输送导管的柔韧性相关，支架的设计更 要考虑到支架输送过程中不对支架的载药涂层造成损伤。 ( 3 ) 支架轴向缩短 支架的轴向缩短是指支架扩张到额定直径后，扩张后支架的实际长度与支架 扩张前支架长度之差。由于支架是从一个较小的直径扩张到较大的直径，所 以支架的长度往往会有所减少。支架缩短主要与支架结构的设计，支架扩张 后直径，支架与导管的配合有关。为保证支架扩开后实际长度不会减少太多， 保证能有效地覆盖病变，有利于支架长度的选择，因而要求具有较小的支架 缩短率，同时较小的支架缩短率也有利于减少支架扩张过程中因支架缩短相 对血管壁滑动而对血管造成的损伤，从而减少支架的植入后的再狭窄率，有 利于提高临床结果。 ( 4 ) 支架径向回弹 支架的径向回弹指支架扩张后，卸压后支架直径与未卸压时支架的直径之 差。较小的支架径向回弹可以获得较大的血管内腔，有利于医生对支架直径 的选择，有利于提高支架贴壁效果，减少支架对血管壁过于扩张造成的损伤， 有利于治疗结果。 ( 5 ) 支架扩张均匀性 支架扩张均匀性是指支架扩张后支架的各个部位均匀一致。均匀的扩张有利 于支架扩张后对血管壁提供均匀一致的支撑，在支架载药后，均匀的扩张有 利于支架向血管提供均匀一致的药物释放。有利于获得较好的临床结果。 ( 6 ) 支架可压缩性 支架的可压缩性指支架能够容易的压缩到支架输送系统上，并能获得较小的 压缩直径。好的支架结构设计有利于支架获得较小的压装直径，而较小的压 装支架则有利于提高支架输送性能。但支架可压缩性也要综合考虑支架带药 后，压装时对药物涂层可能造成损伤。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 7 ) 支架的一致性 支架的一致性主要是指支架植入血管后支架与血管的相配合的能力，即支架 植入血管后不会过度的改变血管的形状。支架的一致性主要是与支架弯曲的 能力有关，容易弯曲的支架可以更好的保持与血管的一致性。良好的支架一 致性能更有效的防治支架两端过渡的翘起对血管壁造成的损伤，有利于提高 支架临床疗效【埽j 。 1 3 2 支架结构设计方面的研究进展 支架结构设计的研究目前是国内外研究的热点，在支架有限元分析方面已进 行了大量的研究 1 7 - 2 6 l 。但直接的实际试验因成本较高和实际难度较大一直进展较 为缓慢。 1 4 冠脉支架的激光加工 1 4 1 冠脉支架的加工 冠脉支架加工由最初的缠绕编织式，发展到后来的平板雕刻式。8 0 年代期随 着激光技术的不断发展，激光切割逐渐成为支架加工的主要方式 1 4 2 冠脉支架的激光加工 支架的激光加工主要有支架的加工切割和焊接两种方式。目前国际主流支架 生产商除美顿力公司外，大部分公司均采用激光切割的方式生产支架。激光切割 过程即将激光通过光学系统聚集在管状材料的表面，并以一定的速度沿着设计路 径相对管材表面移动，同时将辅助气体吹在激光与材质作用区域，用于去除切口 的碎渣并冷却激光作用区。激光切割相对与其他加工方式具有以下优越性： ( 1 ) 加工效率高。 ( 2 ) 切割残渣少。 ( 3 ) 非接触加工，易实现加工过程的自动化和加工复杂形状。 目前市场上流行的支架加工用激光器目前仍为固体n d ：y a g 激光器。主要激 光器提供产商均为国外公司，且设备比较昂贵，目前国内已有部分公司报道已开 发出支架加工有激光器，但还未见在实际生产中应用的报道。支架的激光切割过 程因为激光切割的热输入和激光器数控部分的稳定性，在切割过程中对支架性能 和切割质量的影响主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 切割热影晌区的影响 激光切割与其他热切割相比具有较小的热影响区，但对于支架这种本身宽度 一6 一 第1 章绪论 只有几十微米的器械，激光切割的热影响区足以影响支架的性能。宽的切割 热影响区会影响支架的力学性能，使支架最终的力学性能与最初设计有较大 偏差，热影响区的成分和显微结构与基体相比有较大差异，这些差异会给支 架表面的生物相容性带来不确定的影响，较宽的热影响区也会给支架的设计 、和管材选择带来一定的影响。目前为去除支架的热影响区多采用电化学抛光 的工艺。较宽的热影响区会给支架抛光等后续加工带来较大的工作量，降低 产品成品率，降低生产效率，提高生产成本。 ( 2 ) 切缝的宽度 切缝宽度主要受激光的光斑直径所影响。切割过程中温度的变化导致透镜膨 胀或冷缩导致的焦点偏移，切割系统机械部分的震动，管材较低的同轴度或 圆度均会影响支架切缝的宽度。较小的切缝可以产生更小的热影响区，并且 较小的切缝可以节省支架材料，可以使支架设计所用的管材直径更细小，有 利于开发小血管支架。支架切缝不均匀会导致支架梁宽的不均匀，最终会导 致支架的力学结构的变化。 ( 3 ) 切缝的表面粗糙度，切割熔渣 支架激光切割后的切割纹路及熔渣使支架的激光切割面过于粗糙。粗糙的表 面会降低支架的生物相容性，易于使血小板在支架的表面聚集，最终会因支 架表面的血小板聚集而产生血栓，并可导致死亡。支架激光切割后为去除支 架表面的熔渣飞溅，需要进行多道次的超声清洗和酸洗。为去除支架表面的 切割纹路获得一个光滑的具有良好生物相容性的表面需要进行电化学抛光。 针对支架激光切割所存在热影响区的问题，近些年在这方面开展了一定的研 究工作。水波导激光切割在固体n d ：y a g 激光器切割基础上应用可以显著的降低 支架激光切割的热影响区删。最近几年作为电信行业的一项技术发展，光线激 光器逐渐进入工业激光器的应用。光纤因其具有的众多特点受到支架切割领域众 多研究人员和企业的青睐。目前光纤激光已成为工业化的最先进的解决n d ：y a g 激光支架切割所存在的问题的方法。光纤激光支架切割相对于其他激光支架切 割，尤其是n d ：y a g 激光支架切割，具有如下优点啪1 ： ( 1 ) 降低整体运营成本。 ( 2 ) 能进行小锥度，高纵横比的切割生产。 ( 3 ) 同固体n d ：y a g 激光器相比，切割宽度，切割锥度，及热影响区厚度显著 降低。 ( 4 ) 可自由调制脉冲频率和脉宽，有利于切割非常薄且非常尖锐半径的部件。 ( 5 ) 经证实的高的切割速度。 ( 6 ) 耗电量少，基本不需水冷措施，维护方便简单。 ( 7 ) 泵浦源采用单发设计二极管激光器带来非常长的使用寿命 一7 一 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 8 ) 占地面积相比固体激光器有显著的减少，从而节省了昂贵的洁净空间。三 台光纤激光器的占地面积仅于一台固体激光器相同 1 4 3 支架激光加工的相关研究 国内外目前对钻铬合金支架光纤激光加工的研究较少。目前对支架的激光切 割的研究主要集中在y a g 激光加工支架的研究。a n k u rr a v a l 研究t n d ：y a g 激光 切害t j 3 1 6 l 不锈钢支架的加工工艺，切割后支架抛光等后续工艺。详细的给出了切 割后切缝和支架梁的宽度，并观测到热影响区的存在，并对n d ：y a g 激光进行改进 提高了切割质量汹3 。y p k a t h u r i a h 3 1 研究了短脉冲y a g 激光切割3 1 6 l 不锈钢支 架，给出了优化的切割参数。a ，s c h u e s s l e r 喵1 研究了灯泵浦激光，二极管泵浦 激光，非秒激光切割镍钛，3 1 6 l 不锈钢，钴铬合金支架对切缝质量，热影响区， 切割速度，面积比和材料表面性能的影响。黄楚波汹3 等采用c 0 。激光切割聚左旋乳 酸( p l l a ) 可降解支架，对比分析切割后和切割前的表面状态，并对切割后的支 架的表面与未切割的表面进行红外光谱分析，确定是否有成分变化。d l o o t z 洲 研究了c o ：激光切割p h b 高分子聚合物支架材料的热影响区及热影响区内支架材料 分子量的变化。张勇 剐町等研究分析了激光切割支架所产生的筋宽误差的原因， 并建立了血管支架激光加工筋宽变化的模型。g a c h o nc m l 等研究了激光切割的准 确性对支架力学性能的影响。黄远h 蛆等研究了不同激光加工工艺对支架生物相容 性的影响。蒙红云等n 2 1 采用i p g 光纤激光研究了光纤激光切害u 3 1 6 l 不锈钢的工艺， 研究了切缝宽度与离焦量、输出功率及切割速度、重复频率及脉冲宽度的变化关 系，并对比了氧气与氮气作为辅助气体的切割效果对比。顾兴中等n 3 刊研究了微 孔支架的激光切割。陈庆福等h 5 1 给出了管材属性对支架加工性能的影响。 目前对光纤激光对钴铬合金支架切割的系统化研究较少。国内的对光纤激光 的的研究所使用的激光器集中在i p g 激光器。而目前主流支架切割系统所采用的 光纤激光器多为s p i 激光器。在光纤激光器与目前主流使用的固体n d ：y a g 激光 器在支架切割质量和生产成本上头对头的对比研究也较少。 1 s 本课题研究的目的和研究内容 目前国际支架市场主要被强生，波士顿，美顿力，雅培四家公司控制。进口 支架引起高额的成本，严重增加了病人的医疗负担。国家目前针对减轻病人负担 进行医疗制度的改革，实现支架的国产化，降低医疗器械费用，降低病人负担一 个很有效的措施。本课题就是基于以上背景的一项实际产品开发的研究。钴铬合 金因具有高的强度，可在不减少支架支撑力的前提下，有效的降低支架梁的厚度， 降低再狭窄率，有效的提高支架的临床效果。因而钴铬合金逐渐成为新一代的支 第1 章绪论 架材料受到各大厂家的青睐。现国际四大公司都在加紧开发其新一代的钴铬合金 药物支架。目前已有两家公司于2 0 0 7 年获得美国f d a 的批准，一家公司已于2 0 0 7 年获得中国s f d a 批准在国内上市，其他两家公司也计划在2 0 0 9 年上市。因而尽 快的加速这一关键问题的研究，占领国内市场，是国内同行紧迫的任务。 由于国内外支架目前多采用3 1 6 l 不锈钢材料，且因为支架结构的复杂性， 支架成本的昂贵，目前对支架设计的分析的研究国内外主要集中在采用有限元模 拟的方法研究3 1 6 l 支架的力学性能，有限元模拟与实际过程有一定的差距。较 少的采用实际支架试验的方法来研究。近些年光纤激光器作为一种新的激光器， 因其较低的维护成本受到用户的青睐，但目前支架激光加工的研究主要集中在 y a g 固体激光器对3 1 6 l 不锈钢的切割研究。系统的研究光纤激光加工支架的工艺 参数，支架的加工过程存在的问题，有效的降低支架的废品率，节约生产成本是 目前支架厂商面对的一个新型问题。 本课题研究旨在采用有限元与实际产品试验相结合的方法，详尽的研究支架 的力学性能，载药特性；采用光纤激光切割钴铬合金支架研究光纤激光的切割钴 铬合金支架工艺。主要研究内容包括： ( 1 ) 力学性能研究：支架的抗压性能，支架的扩张性能，支架的压缩性能、支 架的柔顺性能 ( 2 ) 载药性能：支架的扩张和压缩对载药性能的影响 ( 3 ) 支架的激光加工：光纤加工的具体工艺，工艺参数对切口宽度，切口表面 粗糙度、切口形状、切口热影响区的影响。 ( 4 ) 不同激光器切割的对比：对比y a g 和光纤激光切割后的结果 一9 一 第2 章试验方法与试验材料 第2 章试验方法和试验材料 2 1 设计与分析软件 2 1 1 设计软件 设计所采用的软件为： 二维建模软件：a u t o c a d 设计软件 三维建模软件：s o lid w o r k s 设计软件 有限元分析软件：a n s y s 有限元分析软件。 2 1 2 建模过程和分析方法 支架图形的二维建模采用最常用的a u t o c a d 设计软件，在a u o t o c a d 软件中 根据需要建立支架结构的二维平面模型，建模时先建立一个单元的二维模型，之 后采用复制的方式建立支架结构的其他部分。a u t o c a d 中的二维模型必须保证支 架结构中各个线条单元闭合，形成闭合曲线的所有线条不能有重线，否则后续工 作不能进行。二维模型建立后保存为“d v g 格式。 支架的三维建模采用s o li d w o r k s 软件，此软件操作相对简单易用。建模时 将a u t o c a d 中建好的二维模型导入s o l i d w o r k s 软件中。图形导入后绘制与支架 内径等直径的圆柱体，采用相应命令生成支架立体图。支架图生成后切除圆柱体， 即生成支架的三维立体图。三维建模完毕后必须保证支架圆周方向能够完全连 接，不能存在缝隙，否则支架会在有限元分析时开裂，不能继续进行，三维模型 建立后保存为“x 格式。 有限元分析软_ 件t 采用a n s y s ，此软件为典型的常用计算机辅助有限元分析软 件。将建好模型直接导入a n s y s 软件，经过单元格划分，采用位移加载的方式直 接进行支架的扩张和压缩。 2 2 支架材料 支架材料为退火的l 6 0 5 钴铬合金冷拉拔管材，试验的尺寸为外径1 8 舳， 内径1 6 m m 。壁厚为0 1 咖。其名义化学成分和部分物理、力学性能呻1 分别见于 茔互三：銮茎三兰鎏圭兰堡尘兰 表2 1 ，表2 - 2 ； 表2 - 1l 6 0 5 钻铬台金管材的名义化学成分( _ t ) ： t a b l e2 - lt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fl 6 0 5c o - c ra l l o y ( w t ) 铬钨l 镍l 铁碳硅锰硫 磷钻 1 41 69 1 1i 13 01 5 1200 3 余量 表2 - 2l 6 0 5 钴铬台金管材的部分物理和力学性能 拉忡强度 02 应变强度延伸率密度晶粒尺寸 g c m 4 级 ；8 6 0；3 l o2 3 091 05 2 3 激光切割参数的研究 支架的切割采用连续光纤激光集成后的支架切割系统，如图2 1 所示。激光 波长为10 6um ，激光的最大功率为i o o w ，光束模式为t e 高斯模。采用焦距 为7 0 m m 的透镜进行聚焦聚焦后焦斑尺寸为l op 口。机械部分为采用步进电机 控制的两轴联动机床，分别为沿直线方向运动x 轴和沿圆周方向运动的a 轴。支 架切割采用的切割气体为氧气，采用同轴送气的方式将气体送到切割区域。 罔2 - 1 支架光纤激光切割系统 f i g2 - 1 f i b e rl a s e rc u ts y s t e m 激光切割参数研究主要通过有机调整如下参数项进行的研究： ( 1 ) 激光功率，其中对功率的调整通过分别改变采用改变频率和脉宽两种 丝：兰篁塞耋鎏主鎏錾竺型 方式进行： ( 2 ) 切割速度； ( 3 ) 焦斑离焦量。 ( 4 ) 切割辅助气体的输送压强。 支架切割先采用激光在l 6 0 5 管材上切割。采用如图2 2 所示的结构用于 研究切割参数对切割效果的影响。包括测量圆环状切缝的宽度测量四条直线切 缝端面的切割的热影响区宽度和切缝形状，通过与直线相邻的端面分析切缝的表 面状态和表面粗糙度。选定合适工艺参数后再进行完整支架的切割。 囤2 - 2 支架参数研究的切割样品 f j g2 - 2t h es a i p l ef o rc u t t i n gp a ra _ f l e t e rs t u d y 切割后的支架经酸洗处理，以去除激光切割产生熔渣及残渣。而后进行电 化学抛光，去除支架的热影响区获得光洁的、具有良好生物相容性的表面。 2 4 支架力学实验 2 4 1 支架抗压试验 支架径向抗压试验的原理如图2 3 所示，通过给支架径向施加压力t 测量支 架直径减小量与支架受力之间的关系。 图2 - 3 抗压试验原理图 f i 9 2 3s c h e m a t i cd i a o - a mo f s m n t c o m p m s s i o n 北京工业大学工学硕士学位论文 抗压试验采用的测量工具为m i n i m a t2 0 0 0 微型材料试验机如图2 - 4 所示。 试验机采用计算机软件控制，其控制和授4 试截面如图2 5 所示。试验时加载速度 为o0 2 m m s 。支架抗压试验采用对比方法。试验支架分别为我们设计支架和波 士顿科技公司( 己下称对照支架) 的支架对比。试验所采用的支架相关参数如表 2 - 3 所示： 表23 抗压试验用支架参数 t a b l e2 - 3t h ep a r a m e t e ro f t h es t e n tf o rc o m p r e s s i o n 支架粱厚 支架长度扩张直径 支架名称支架材料 ( um )( m m )( m m ) 设计支架钴铬台金8 025 、3 、35 、4 对照支架 3 1 6 l 不锈钢 9 6 3 、35 目24m i n im a t 2 0 0 0 微型材料试验机 f i g2 - 4m i n lh a t 2 0 0 0w i n lm a t e r i a lt e s tm a c h i n e 图2 - 5m i n im a t 2 0 0 0 微型材料试验机夹具部分 f i g2 - 5 t h ec l a po f t h em i n im a t 2 0 0 0m in i t e r i mt e s tm a c h i n e 第2 章试验方法与试验材料 2 4 2 支架柔顺性试验 支架柔顺性试验利用三点弯曲的原理并加以改进，其原理如图2 - 6 所示。通 过在支架两端固定装置上添加导丝可使支架两端不受约束，弯曲时两端可自由滑 动，支架通过压缩装置压装到输送导管上，进行三点弯曲试验，测量支架中心弯 曲下降的距离的与支架受力之间的关系，支架在同样的力下能获得较大弯曲距 离，则证明支架有较高的柔性，获得较小的弯曲距离则证明支架有较低的柔性。 图2 - 6 柔顺性试验原理图 f i g 2 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f s t e n tf l e x i b i l i t ye x p e r i m e n t 柔顺性试验采用对比方法。如支架抗压试验，对比支架分别为自行设计加 工支架和波士顿科技公司( 已下称对照支架) 支架对比。两种支架压握在相同的 输送导管上，并采用相同的输送导丝。试验时施加不同重量的砝码，待支架和砝 码稳定后，测量支架弯曲的位移。试验所采用的支架参数见表2 4 。 表2 - 4 柔顺性试验用支架参数 t a b l e2 4t h ep a r a m e t e ro ft h es t e n tf o rf l e x i b i l i t y 支架名称支架材料支架梁厚( um )支架长度( m m ) 设计支架钴铬合金 8 0 1 6 对照支架3 1 6 l 不锈钢9 61 6 2 4 3 支架扩张试验 支架扩张试验采用临床实际应用球囊导管注射泵，如图2 - 7 所示。注射泵内 液体采用去离子水，支架分别被扩张3 o m m 、3 5 m m 和4 o m 。支架扩张试验使 用的球囊导管的规格为3 o 1 5 r a m ，3 5 1 5 m m ，4 o 1 5 r a m ，支架长度均为1 5 姗。 一1 5 i ! 至三：! 奎：三兰竺圭耋! ：篁兰 图2 7 支架扩张注射泵 f i g2 - 7t h ei n j e c t o ro fs t e n te x p a n d 2 5 支架的切缝和热影晌区分析 样品切割完成后，对样品不作任何处理，直接用显微镜( 如图2 - 8 ) 及配套 的测量软件测量切缝外表面切口的宽度。样品的宽度测量完毕后不作任何处理， 直接利用光学形貌仪( 如图2 9 ) 测量样品切割表面的粗糙度。并用扫描电镜观 测直接激光切割完毕的样品表面的形貌( 如图21 1 ) 。 样品经过前面的观测后，进行试验样品的镶样、研磨、抛光。镶样采用环氧 树脂配合固化剂，研末最后一道采用粒度为1 2 0 0 的水磨砂纸，抛光先后分别采 用25 um 、05um 的金刚石抛光膏。抛光后的试样侵蚀后，采用金相显微镜( 如 图2 一l0 ) 观测支架的切口形状、采用金相显微镜和扫描电镜观测支架的切缝两边 热影响区的大小。 釜：耋兰兰玄耋主薹矍垒竺 网2 - 8 体视显微镜( o l y m p u ss z 6 图2 - 9 光学形貌仪 f i 9 2 * 9 w y k o n t - 1 1 0 0o p t i c a lp m f i l e r 圉21 0 金相显微镜( o l y m p u s p m g 3 ) f i g2 1 0m e t a l l o m i e r o s c o p e ( o i y m p u s p m g 罔2 - 1 i 扫描电子显微镜( f e l0 u a l l u2 0 0 ) f i g2 - ils e m - s c a r m i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( f e iq u a n t a2 0 0 第3 章支架结构设计 第3 章支架结构设计 3 1 支架单元结构特征与支架变形特征的关系 不同的支架结构单元设计可以导致不同力传输路径，直接影响支架压装与扩 张后的结构特征，从而影响支架带药后的均匀一致和支架临床结果。 研究采用三种不同结构的支架，其单元结构如图3 - 1 所示，每个单元的长度 为2 m m ，支架梁厚为0 0 8 m m ，梁宽为0 0 8 r a m 。每个单元在圆周方向和轴线方向 重复排列连接，即构成整个支架的结构。圆周方向共三个重复单元组成直径外经 为1 8 m m 的支架，轴线方向根据实际要求采用不同数量重复单元构成不同支架长 度，图3 - 2 为三个单元排列组成的完整支架的平面展开图，图3 3 为相对应的三 个支架的三维立体图。 c a ) a 号单元结构( b ) b 号单元结构 ( c ) c 号单元结构 图3 - i 不同支架的单元结构 f i g 3 1t h eu n i to fd i f f e r e n ts t e n t 北京工业大学工学硕士学位论文 ( a ) a 号支架 ( b ) b 号支架 ( c ) c 号支架 图3 - 2 不单元结构支架的平面展开图 f i g 3 - 2t h ep l a no fd i f f e r e n ts t e n t 一2 0 一 量：薹圣圣堑塑篓兰 a ) 号支架 ( b ) b 号支架 ( c ) c 号支架 圈3 - 3 不同单元结构支架的立体图 f i g3 - 3t h es t e r e o g r a p ho fd i f f e r e n ts t e 3 t 3 1 1 不同单元结构支架的扩张变形特征 扩张变形的有佩元分析 三种结构支架使用a n s y s 进行有限元分析采用非线性变形分析，每个支架 粱在厚度和宽度方向上划分两层单元格，支架的两端对圆周方向施加约束防止支 架扩张时在圆周方向旋转。加载方式为位移法，即在支架的内表面施加位移t 支 架的外径为18 m ，使支架扩张到3 m m ，对支架实际所旌加的位移s 为 s = ( 3 m 1 8r m ) 2 帆 = 0 6 m m 有限元模拟扩张后三种单元结构的支架如图34 所示 a 号支架 ! ! 至! 当奎耋三兰：堡圭兰堡鎏三 b 号支架 c 号支架 图3 - 4 支架有限元模拟后扩张情况 f i g3 - 4t h es t e n ta f t e re x p e n d e db yf 日l 实际扩张变形 三种不同单元结构支架使用压力泵将支架一次性扩张到8 a t m ，保持3 0 s 后 一次性将压力全部释放到零点，此时支架的名义直径为3 唧。扩张到3 衄后支架 的结构如图3 5 所示： a 号支架 b 号支架 兰：三罂兰望兰兰 c 号支架 田3 - 5 支槊实际廖胀后结构 f i g 3 - 5t h es t e n ta f t e re x p a n d e d 从圈3 - 5 实际扩张的结果中可以看出b c 号支架扩张比 支架扩张均匀 号支架扩张后每个单元中有的局部结构几乎完全没有张开从而影响丁支架扩张 后对血管壁支撑的均匀性，较丈的空骧容易造成病变部位或血管壁组织悬垂，增 加管腔再狭窄的发生b 、c 号支架相对 支架能够给血管壁提供均匀一致的支 捧力 号单元在长度方向上不具有对称性，并且单元连接处的偏心倾斜设计t 使长臂在整个长度方向上沿圆周捧列成螺旋式结构，扩张后攘长个螺旋结构扩 开支架短臂并没产生变形。b 、c 号单元园其在轴向方向上成对称结构，扩张 更加均匀 扩张后对药锚释放的髟晌 三种不同结构的支架张开后覆盖血管壁的均匀程度不同支架的壁上携带一 定的药物，当支架粱问间隙过大时可能会有部分血管壁上的得不判药物，不能发 挥药物的作用。增加支架植入后再狭窄的发生率当支架集间间骧过密时，支架 会在血管壁上释放过多的药物过多的药物会引起血管的细胞发生毒性反应- 从支架扩张后的支架结构可以看出，a 号支架困其扩张不均匀，在其未扩张 结构上所带药物释放后，造成血管壁局部药物浓度过高，容易产生血管壁局部毒 性反应：扩张充分部位支船粱间距较大药物释放后不能完全覆盖其所支捧的 整个血管壁，不能达到治疗的效果。b 、c 号支架扩张对血管壁的支捧均匀，能 在血管壁形成均匀一致的药物释放c 相对b 号支架更加均匀 3 1 2 不同单元结构支架的压缩变形特征 有限元模拟的压缩状态 有限元模拟将