楊彩紅， 馬鳳倉， 姜洪焱， 高晨光， 劉祥坤， 黃男男

（1. 上海理工大學 材料科學與工程學院，上海 200093；2. 上海微創(chuàng)醫(yī)療器械（集團）有限公司，上海 201203）

肺動脈栓塞（pulmonary embolism, PE）發(fā)病率高、死亡率高、發(fā)病突然，通常被稱為“沉寂的殺手”。引發(fā)PE的栓子大多來源于下肢深靜脈血栓(deep venous thrombosis, DVT) 脫落[1]。下腔靜脈濾器（inferior vena cava filters, IVCF）可以攔截下肢深靜脈脫落的血栓，從而避免PE的發(fā)生，在DVT患者的PE預防中發(fā)揮著重要作用[2-3]。目前，臨床上應用的IVCF均為金屬材料(不銹鋼、Ni-Ti合金等)制作，金屬IVCF作為異物長久置于人體內(nèi)可能帶來多種并發(fā)癥，例如IVCF移位、腔靜脈穿孔、局部血栓形成和腔靜脈閉塞等[4-7]。

隨著生物材料和生命科學的發(fā)展，國內(nèi)外很多學者對可降解材料構建的IVCF做出了研究。這種可降解的IVCF在PE高危期過后自動降解，解除對下腔靜脈血流的阻礙作用，降解產(chǎn)物最終被人體吸收，不會造成醫(yī)源性PE及其他副作用。王小平等[8]基于TrapEase IVCF模型，將左旋聚乳酸(poly-L-lacticacid，PLLA)薄膜進行激光切割、粘接和熱定形，制備出一種具有中心線擴張機構的可降解IVCF。EGGERS等[9]采 用 聚 二 惡烷 酮 （polydioxanone，PDO）縫合線制備出一款可降解IVCF，并進行了動物試驗。趙輝等[10]也制備出一款上方由6條聚糖乳酸縫線組成的圓錐形過濾結構、下方為聚己內(nèi)酯支架的IVCF。生物可降解IVCF具有潛在的臨床應用價值，值得進一步研究。

一款理想的可降解IVCF不僅能夠有效地捕獲血栓、實現(xiàn)壓握擴張過程，而且具有良好的生物力學性能。過濾桿的數(shù)目決定了IVCF捕獲血栓的能力，LORCH等[11]研究了血管水平或垂直方向放置，血管及血栓直徑對不同IVCF過濾效果的影響，發(fā)現(xiàn)血管直徑較小、血栓直徑較大并在垂直方向時IVCF的過濾效果較好，還發(fā)現(xiàn)有兩層或兩層以上過濾結構IVCF的過濾效果比錐形IVCF好。IVCF植入血管后應保持一定的支撐性能，避免壓塌或者發(fā)生移位現(xiàn)象，從而保持良好的定位效果。仇洪然等[12]通過有限元軟件Abaqus與流體動力學軟件Fluent進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)對于同種錐形IVCF，支撐桿個數(shù)對IVCF的力學性能影響顯著，為IVCF的設計和臨床選擇提供了更加科學的參考依據(jù)。

目前采用PLLA和鎂合金材料制作的可降解支架已應用于臨床治療冠心病，但運用可降解材料制作IVCF預防PE的臨床應用尚未出現(xiàn)，其原因是可降解材料的力學性能遠不如不銹鋼或Ni-Ti合金等金屬材料。因此，對可降解IVCF的力學性能的研究及有限元模擬分析對IVCF的結構設計和參數(shù)調整至關重要。本研究首先用Solidworks軟件建立支撐桿數(shù)目為8，10，12的3種IVCF對應的支架模型；應用Abaqus軟件模擬分析3種支架在壓握和自擴張過程中，表面的應力分布狀態(tài)以及徑向支撐力；并利用實際制作的IVCF模型進行徑向支撐力測試，以驗證模擬過程的準確性。通過有限元模擬分析和徑向支撐力的測試結果，評價IVCF表面應力分布狀態(tài)和力學性能，為IVCF的結構設計和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及IVCF模型

圖1為新型生物可降解IVCF的結構示意圖。IVCF由支架、沙漏型濾網(wǎng)和連接絲組成，連接絲將沙漏型濾網(wǎng)固定在支架內(nèi)部形成IVCF。PLLA是一種半結晶可再吸收的聚合物，具有良好的力學性能、生物相容性和生物可降解性，廣泛用于手術縫合線、冠狀動脈支架和藥物釋放載體[13-15]。本研究中，采用PLLA纖維編織成支撐桿數(shù)目為8，10，12的IVCF。在完全擴張狀態(tài)下，IVCF長度為50 mm，直徑為25 mm。根據(jù)ISO 2062方法，在INSTRON 5943萬能材料試驗機（英國Instron公司）上測試PLLA纖維的室溫拉伸性能，加載速度為1 000 mm·min-1，夾具之間的距離為250 mm，測得的應力-應變曲線如圖2所示。

圖1 生物可降解IVCF結構示意圖Fig. 1 Schematic diagrams of biodegradable IVCF structures

圖2 PLLA纖維室溫拉伸試驗的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curve of PLLA fiber measured at room temperature

1.2 有限元模型的建立

為簡化模型，提高運算精度和計算效率，根據(jù)對稱性原理，取1個波段（長度為10 mm）的支架進行有限元分析。本文分析的支架由PLLA纖維編織而成，利用三維建模軟件Solidworks建立IVCF對應支撐桿數(shù)目的支架的三維仿真模型，如圖3所示。支架外徑為25 mm，支架壁厚為0.5 mm，支架長度為10 mm。采用三維實體單元C3D8I對支架幾何模型進行離散化處理（網(wǎng)格化），即可獲得其有限元模型。導入Abaqus軟件中完成材料屬性、載荷以及邊界條件等設定，進行模擬分析。在模擬支架壓握和自擴張的過程中，利用1個圓柱形剛性管代替壓握工具。對剛性管施加位移載荷，使支架從原始直徑進行壓握，直到支架所要求的壓握尺寸，來模擬壓握過程。然后去除剛性管，讓支架自由擴張，來模擬支架的自擴張過程。

圖3 PLLA纖維支架的三維造型圖Fig.3 Three-dimensional modeling of PLLA fiber stent

1.3 生物力學性能測試

采用自制的可降解IVCF進行徑向支撐力測試，所得測試樣品（支撐桿數(shù)目為10）如圖4所示。試驗采用IEC 60320徑向支撐力測試儀（Arizona Blockwise Engineering LLC公司）完成。參照ASTM 3067方法，將長度為50 mm、直徑為25 mm的3種支撐桿數(shù)目的可降解IVCF進行徑向支撐力測試。測試溫度為37 ℃，保溫時間為5 min，載荷為136 N，加載速度為0.2 mm·s-1，壓握尺寸與有限元模型的參數(shù)設置相同。

圖4 自制可降解IVCFFig.4 Self-made degradable IVCF

與形狀記憶合金不同，可降解IVCF在壓握擴張過程中有彈性損失，它反映了IVCF的自擴張性能。彈性損失率越大，IVCF的自擴張性能越差，反之越好。為定量描述IVCF的自擴張性能，本文引入壓握擴張曲線極差性能參數(shù)，它是IVCF壓握至目標血管直徑和自擴張至目標血管直徑處的徑向支撐力差值，壓握擴張曲線極差越大，支架的自擴張性能越差，反之越好。

2 結果與討論

2.1 有限元模擬結果與分析

支架的最大應變出現(xiàn)在壓握至輸送器后最小直徑處，回彈過程則會釋放部分應變，因此支架壓握后的應變分布情況是需要重點研究的[16]。圖5為3種支架在壓握過程中的最大等效應力分布圖。8，10，12桿支架上應力峰值分別為 4.49，3.67和3.92 MPa，雖然3種支架的應力峰值不同，但支架上的應力分布方式相同，均是支撐桿端頭外圓圈處應力高度集中，支架內(nèi)側和中間位置應力較小。

對于金屬支架，當直徑超過下腔靜脈直徑的25%時，具有良好的徑向支撐力，可以牢固地貼附于人體下腔靜脈血管壁。本研究中的直徑為25 mm的可降解IVCF遵循以上原則，適用于直徑為18～20 mm的下腔靜脈血管，因此觀察支架自擴張至18 mm處的等效應力分布狀態(tài)十分重要。圖6為各支架自擴張至18 mm處的等效應力分布圖，8，10，12桿支架的應力峰值分別為1.63，1.34和1.48 MPa，3種支架上的應力分布方式基本相似，應力較高的區(qū)域位于支撐桿端頭外圓圈，應力較低的區(qū)域位于支撐桿內(nèi)側和中間位置。

通過對比圖5和圖6的有限元分析結果，可以看出可降解支架的壓握和自擴張中應力分布趨勢一致，壓握是應力收集的過程，支架自擴張是應力發(fā)散的過程。應力分布云圖反映了支架表面的應力分布情況，也可推測出IVCF的危險斷裂位置。8桿支架的應力集中現(xiàn)象最為顯著，在壓握擴張中也更容易發(fā)生斷裂；12桿支架的應力集中次之，壓握至最小直徑時出現(xiàn)應力突變現(xiàn)象；10桿支架的應力集中最小，且無應力突變。在應力峰值高的部位，發(fā)生破裂可能性最大，通過預測危險部位可為新型生物可降解IVCF的設計提供參考。

圖5 支架在壓握過程中的最大等效應力分布Fig.5 Maximum equivalent stress distribution of the stents during crimp

2.2 徑向支撐力分析

圖7為3種支架在有限元模擬過程中的徑向支撐力-直徑變化曲線。當支架處于壓握狀態(tài)時，徑向支撐力隨著直徑的減小而增大；當支架處于擴張狀態(tài)時，徑向支撐力隨著支架直徑的增大而減小?？梢钥闯?，隨著支撐桿數(shù)目的增加，支架的徑向支撐力呈遞減趨勢，其中12桿支架的徑向支撐力在壓握至7.6 mm處出現(xiàn)應力突變。與有限元分析結果一致；各支架壓握擴張曲線的極差隨支撐桿數(shù)目的增大而減小，說明支撐桿數(shù)目與支架的彈性損失率成反比，支撐桿數(shù)目越多，支架的回彈性能越好。

圖6 支架在擴張至18 mm處的等效應力應變分布Fig.6 Equivalent stress distribution of the stents at the expansion to the diameter of 18 mm

為驗證圖 7的模擬結果，圖 8顯示了 3種IVCF在力學測試過程中的徑向支撐力-直徑變化曲線。圖8中的結果表明，在壓握和自擴張過程中，支撐桿數(shù)目為8的IVCF徑向支撐力最大，10桿次之，12桿最小。其中 8，10，12桿 IVCF的壓握擴張曲線極差分別為 2.00，1.33，0.95，IVCF 的徑向支撐力和壓握擴張曲線極差均隨著支撐桿數(shù)目的增加而減小，與相應桿數(shù)支架的有限元分析結果吻合?；谟邢拊夹g的支架分析結果，對IVCF結構的設計和優(yōu)化具有較大的指導意義，不僅節(jié)約了研發(fā)時間，同時也提高了臨床安全性。

通過有限元模擬和力學性能測試結果的綜合分析，IVCF的徑向支撐力和自擴張性能是一對相斥因素。8桿IVCF徑向支撐力大，自擴張性能較差；12桿IVCF自擴張性能好，但是徑向支撐力較小，且存在力的突變；10桿IVCF介于兩者之間，具有足夠的徑向支撐力和良好的自擴張性能，綜合考慮認為，10桿IVCF力學性能較好。

圖7 支架在有限元分析中的徑向支撐力變化Fig. 7 Changes in the radial force of the stents during finite element analysis

圖8 支架徑向支撐力測試結果Fig. 8 Results of radial support force tests

2.3 討 論

對于有較高深靜脈血栓風險的患者，生物可降解IVCF可以提供臨時性保護，可預防致死性PE的發(fā)生，當度過危險期后，可降解IVCF緩慢降解可盡可能地減少對腔靜脈血流動力學的影響。生物可降解IVCF既避免了傳統(tǒng)IVCF的遠期并發(fā)癥，又不需要二次手術取出，彌補了傳統(tǒng)IVCF的缺陷。針對新型生物可降解IVCF的研發(fā)，IVCF的結構設計和綜合力學性能是關鍵。設計合理的結構參數(shù)，不僅可以避免IVCF植入后對血管壁的損傷及對血流動力學的影響，還可以有效地降低對內(nèi)膜增生和血栓形成的影響。

應力分布云圖反映了IVCF表面的應力分布情況，也可預測出IVCF的危險斷裂位置。一方面，8，10，12桿IVCF在壓握和自擴張過程中的應力峰值基本都是隨著支撐桿數(shù)目的增加而減小，支撐桿越少應力峰值越大，并且應力較高的區(qū)域位于支撐桿端頭的外圓圈，應力較低的區(qū)域位于支撐桿內(nèi)側和中間位置。另一方面，IVCF植入后引起的炎癥反應主要是由血管壁的損傷而引起的，由于力的作用是相互的，IVCF表面應力峰值大的地方，血管壁上的應力也大，IVCF刺入血管的深度也隨之增加，對血管壁造成的損傷程度也增加。本研究中的新型生物可降解IVCF的支撐桿端頭是應力集中區(qū)，需進一步的動物試驗來研究其未知影響。

支撐力是IVCF最重要的技術指標之一，是IVCF對徑向外壓的抗力或IVCF對作用外力的應變力。徑向支撐力的特性決定IVCF展開后能否牢固貼附于血管壁。徑向支撐力過弱的IVCF釋放后，IVCF不能緊貼血管壁給予狹窄段血管足夠的力學支撐，從而易發(fā)生移位。徑向支撐力差是影響新型可降解IVCF臨床應用的主要因素。一方面與材料的力學性能相關，另一方面還與IVCF的設計結構相關。本研究中，8，10，12桿IVCF的徑向支撐力隨著支撐桿數(shù)目的增加而減小，12桿IVCF的徑向支撐力-直徑曲線顯著低于其他兩種IVCF的，且在壓握至最小直徑處出現(xiàn)應力突變；8桿IVCF的徑向支撐力最高，說明其抵抗外界的支撐力越強；10桿IVCF徑向支撐力適中。

支架的擴張方式有球囊擴張和自擴張兩種，彈塑性材料制成的支架常采用球囊擴張的方式，自擴張支架由形狀記憶材料制成。本研究中的IVCF由于內(nèi)置濾網(wǎng)，不適用于球囊擴張，那么IVCF的自擴張性能尤為重要。8，10，12桿IVCF的壓握擴張曲線極差依次降低，說明隨著支撐桿數(shù)目的增加，IVCF的自擴張性能越好。

3 結 論

試驗結果表明，IVCF支撐桿端頭外側發(fā)生破裂風險的可能性較大，但支撐桿的數(shù)目越多，可能性越小；支撐桿數(shù)目是新型生物可降解IVCF研發(fā)的重要參數(shù)。綜合考慮，IVCF桿數(shù)設計為10時，具有較好的綜合力學性能，降低了IVCF植入后本身破裂和移位的可能性。支架的有限元模擬和IVCF的徑向支撐力測試對未來新型可降解IVCF的研發(fā)和臨床應用提供了重要的參考依據(jù)。