熱處理對NiTi自膨式血管支架形狀恢復能力的影響

王艷艷，羅健，李勇，陳潔云，湯京龍，呂原原，周俊蕾

1 上海微創醫療器械（集團）有限公司，上海市，201203

2 中國食品藥品檢定研究院，北京市，100050

0 引言

NiTi基形狀記憶合金具有優異的記憶特性和超彈性，以及良好的力學性能、生物相容性、耐腐蝕性等，在航空航天和醫學等領域得到了廣泛應用[1-6]。得益于NiTi材料特有的超彈性能，在高達8%的應力應變水平下仍能維持其特有的彈性形變能力，使得其在醫療器械行業的應用極其廣泛。NiTi形狀記憶合金的超彈性能主要受合金成分[7]、加工工藝和熱處理制度[8-11]等因素的影響。醫學上，由鎳鈦材料制備而成的NiTi自膨式血管支架，在使用中主要依靠其自膨能力支撐在病變血管壁上，故NiTi自膨式血管支架的預期使用尺寸、徑向支撐力及形狀恢復能力將影響其在臨床應用中的表現。此外，NiTi自膨式血管支架在植入人體后受周圍環境的影響，會產生一定的腐蝕現象[12]，使得NiTi自膨式血管支架的生物相容性嚴重降低[13]，從而影響NiTi自膨式血管支架的臨床使用，故研究NiTi自膨式血管支架的耐腐蝕能力也尤為關鍵。本研究以NiTi自膨式血管支架的典型結構為基礎，借助不同的NiTi自膨式血管支架性能表征方法，研究不同熱處理工藝對NiTi自膨式血管支架形狀恢復能力和耐腐蝕性能的影響，得出合適的熱處理工藝參數。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究所用NiTi自膨式血管支架樣品的原材料為：NiTi合金絲材，絲徑0.004 5 in(1 in=25.4 mm)，拉伸強度不小于1 300 MPa，化學成分為55.1%～56.5%的鎳，其余為鈦。

1.2 試驗方法

1.2.1 鎳鈦網管熱定型方法

經過兩次熱處理定型，將NiTi合金絲材制備為NiTi自膨式血管支架的形狀，采用田口方法對NiTi自膨式血管支架段的熱處理定型溫度和熱處理時間進行了正交實驗。對鎳鈦合金網管進行熱定型處理，然后取出冷卻。為保證出爐冷卻條件一致可控，NiTi自膨式血管支架取出后，立即采用20～25oC水在室溫下水淬[14]。每次熱處理時都會放入一定長度的鎳鈦合金絲進行同爐處理，用于力學性能測試。通過預實驗探索，確定熱處理定型溫度和熱處理時間的大致范圍，本研究中選用400oC、450oC、500oC和550oC四組溫度進行熱處理，熱處理時間分別為5 min、10 min、15 min、20 min，共進行16組不同條件的熱定型處理。

1.2.2 鎳鈦合金力學性能評價方法

參考標準ASTM F2516-2007進行測試，采用6%定伸長拉伸，拉伸隔距為100 mm。

1.2.3 NiTi自膨式血管支架形狀恢復能力評價方法

1.2.3.1Af點溫度

采用BFR（彎曲-自由回復）測試方法對NiTi自膨式血管支架Af溫度進行測試。將測試試樣冷卻至完全馬氏體相狀態，試樣變形后加熱至完全高溫奧氏體相狀態。在加熱過程中，由于發生馬氏體逆相變，試樣的形狀發生變化，通過測量試樣隨溫度變化的變形位移量，繪成溫度—位移曲線，用切線法在溫度—直徑（或位移）曲線上確定Af，測試條件為：加熱速度不超過4 ℃/min；變形量：直徑變化不少于50%或者直接通過裝載鞘管釋放。

1.2.3.2 彈性變形適應性

將NiTi自膨式血管支架系統進行組裝后正常釋放，測量NiTi自膨式血管支架釋放后的關鍵尺寸，并與標稱尺寸進行對比。測試條件：37±2oC的恒溫水浴，釋放次數：說明書極限要求釋放次數。

1.2.3.3 徑向支撐力

測試NiTi自膨式血管支架從無載荷狀態壓縮至壓縮狀態再恢復至完全無載荷狀態過程中的力值變化，測定NiTi自膨式血管支架在名義使用條件下的徑向支撐力。測試條件：37±2oC恒溫至少2 min，初始孔徑大于被測試NiTi自膨式血管支架的自然狀態直徑，測試壓縮最小孔徑：NiTi自膨式血管支架的預裝載直徑或直徑減小至少50%；壓縮（或擴張）速度：0.1～0.5 mm/s。

1.2.3.4 局部抗擠壓

利用特定形狀的壓頭（例如點載荷）對NiTi自膨式血管支架進行擠壓，下壓一定距離得到對應的下壓載荷。測試條件：37±2oC的恒溫至少2 min；測試壓縮距離：NiTi自膨式血管支架的預裝載直徑或直徑減小至少50%；壓縮速度：20～200 mm/min。

1.2.4 耐腐蝕

用電化學工作站對熱處理后的試樣耐腐蝕性能進行測試。采用標準三電極體系：對電極為鉑電極；參比電極為飽和甘汞電極（SCE）。測試過程在37oC的Hank's溶液中進行。

2 試驗結果與分析

2.1 熱定型效果評價

將鎳鈦網管分別在16種熱處理條件下定型后，出爐水淬，觀察其定型效果，發現400oC、450oC、500oC及550oC下分別進行熱處理5 min、10 min、15 min、20 min后，鎳鈦合金網管定型均能達到預期結構。

2.2 鎳鈦合金力學性能評價

不同熱處理條件下得到鎳鈦合金絲的抗拉強度變化趨勢，如圖1所示。從圖中可以看出經過400oC和450oC熱處理溫度處理得到的鎳鈦絲力學性能隨著熱處理時間的增加而存在明顯波動，500oC和550oC熱處理溫度下得到鎳鈦絲抗拉強度隨時間變化趨勢較為穩定，且隨著熱處理時間的增加，鎳鈦絲抗拉強度逐漸呈下降趨勢。對鎳鈦絲在500oC和550oC不同熱處理條件的應力應變曲線（圖2和圖3）進行分析，可從應力應變曲線中提取上下平臺應力、殘余應變、彈性儲能、彈性儲能效率等指標。從圖2和圖3中可以看出熱處理時間為5 min和10 min的試樣都具有明顯的上、下平臺應力，且殘余應變小（均＜0.7%），發生了馬氏體相變和逆相變，具有穩定的非線性超彈性，但在10 min～20 min時，其殘余應變隨著熱定型時間的延長出現突增的現象。由此可知熱處理溫度較高，熱處理時間較長會在一定程度上影響鎳鈦支架的力學性能。

圖1 不同熱處理工藝鎳鈦絲抗拉強度Fig.1 Tensile strength of nickel-titanium wire in different heat treatment processes

圖2 500 oC應力應變曲線Fig.2 Stress-strain curve at 500 oC

圖3 550 oC應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curve at 550 oC

2.3 NiTi自膨式血管支架形狀恢復能力評價

2.3.1Af溫度

Af溫度反映了NiTi自膨式血管支架在外界施加應力去除后，恢復原有狀態的能力。試驗中得到不同熱處理條件下NiTi自膨式血管支架Af溫度的變化趨勢，如圖4所示。從圖中可以看出，同一熱處理溫度條件下，隨著熱處理時間的增加，Af溫度逐漸升高，在同一熱處理時間條件下，隨著熱處理溫度的升高，Af溫度逐漸降低。相同使用環境下，Af溫度過高會對NiTi自膨式血管支架超彈性能力產生影響，Af溫度過低會對NiTi自膨式血管支架的疲勞性能產生影響，故為了保證NiTi自膨式血管支架表現出優異的超彈性和疲勞性能，則最佳的熱處理條件為較短的熱處理時間配合適當熱處理溫度。結合2.2節對鎳鈦絲材抗拉強度的結果分析可知：熱處理溫度為500oC時，NiTi自膨式血管支架的力學性能和Af溫度較佳。

2.3.2 彈性變形適應性

不同熱處理條件下得到NiTi自膨式血管支架直徑變化率趨勢見圖5。從圖中可以看出，400oC條件下，NiTi自膨式血管支架在經過鞘管釋放后，其直徑有一定損失，在熱處理溫度為5 min時損失最多，達9.4 %。隨著熱處理時間的延長，損失逐漸降低，并趨于穩定。這說明400oC，5 min的熱處理條件下NiTi自膨式血管支架熱處理尚未完全定型，在受到外力作用后其難以恢復到原有形態，但隨著熱處理時間的增加，這種現象有一定減少，但仍難以避免，最終基本維持在6%左右。進一步觀察可以發現，在熱處理時間為10 min時存在一定細微拐點，在該處直徑損失量僅為5.7%，此后繼續延長熱處理時間直徑損失量會有些許增加，故熱處理溫度10 min對減少尺寸損失應有一定幫助。熱處理溫度為450oC時，隨著熱處理時間的延長，其直徑損失趨勢與400oC基本一致，呈下降并趨穩的趨勢。但相比較400oC而言，其直徑損失量最大為6.3%，20 min下的損失僅3.7%，說明隨著熱處理溫度的升高，其對NiTi自膨式血管支架定型效果有一定提升，NiTi自膨式血管支架的形狀保持能力也有明顯提升。在熱處理溫度為500oC時，直徑最低損失發生在熱處理時間為10 min時僅為0.9%，而繼續增加熱處理時間，其直徑損失有明顯的升高。這就說明在熱處理溫度為500oC時，延長熱處理時間并不利于NiTi自膨式血管支架定型。而10 min的熱處理時間與400oC，10 min出現的拐點也有一定呼應。在熱處理溫度為550oC時，NiTi自膨式血管支架的直徑損失沒有繼續呈下降趨勢，反而有明顯升高，說明過高的熱處理溫度并不利于NiTi自膨式血管支架的形狀保持。故從上述分析可以看出，500oC、10 min的熱處理條件對NiTi自膨式血管支架定型與進出鞘后的形狀保持有很大幫助。

圖4 不同熱處理工藝NiTi自膨式血管支架Af 溫度Fig.4 Af temperature of NITI self-expanding vascular stents in different heat treatment processes

圖5 不同熱處理工藝NiTi自膨式血管支架直徑變化率Fig.5 Diameter change rate of NITI self-expanding vascular stents in different heat treatment processes

2.3.3 徑向支撐力

鎳鈦支架獨特的超彈性和形狀記憶性能使其在植入人體血管后自膨脹至一定水平進而有效地支撐血管，并完全包裹血栓[15-17]，所以支架在具有一定支撐能力的同時不損傷血管壁尤為關鍵[18]。徑向支撐力作為支架的關鍵力學性能，反映出支架對徑向外壓的抵抗力，其大小決定了支架能否有效貼合血管壁，不損傷血管進而導致血管內膜增生[19]。支架的支撐力與支架尺寸（長短、直徑）以及處理工藝、使用環境等有很大關系。圖6是不同熱處理工藝條件下NiTi自膨式血管支架的徑向支撐力測試結果趨勢圖，從圖中可以看出，熱處理溫度為400oC時NiTi自膨式血管支架徑向支撐力最低，該結果與之前分析的Af點和直徑損失一致。在相同熱處理時間條件下，隨著熱處理溫度的增加，在5～20 min的熱處理時間內，其徑向支撐力有一定升高趨勢。但當熱處理溫度高于500oC達550oC后，5～10 min中內，550oC熱處理溫度下徑向支撐力又有一定程度降低，而10～20 min內，500oC和550oC徑向支撐力基本保持一致。隨著熱處理溫度的升高，徑向支撐力并非會持續升高，而是在500oC達到峰值。對于利用支架超彈性，需要其在釋放后即刻打開順應血管狀態而言，在較低熱處理時間，熱處理溫度為500oC時表現出來的高徑向支撐力對于NiTi自膨式血管支架在臨床上有著較好的優勢，故500oC的熱處理溫度應為首選。對于熱處理時間而言，低熱處理時間可以獲得較高的支撐力，故5～10 min應為首選。結合2.2節中抗拉強度和2.3.2節中直徑變化率結果綜合分析，10 min更為理想，得到500oC，10 min時的徑向力測試曲線見圖7，在NiTi自膨式血管支架壓縮階段其對應的徑向支撐力為4.83 N，NiTi自膨式血管支架在擴張階段對應力值為6.27 N。

圖6 不同熱處理工藝NiTi自膨式血管支架徑向支撐力曲線Fig.6 Radial force of NiTi self-expanding vascular stents in different heat treatment processes

圖7 500 ℃、10 min NiTi自膨式血管支架徑向支撐力曲線Fig.7 Radial force curve of NiTi self-expanding vascular stents at 500 oC，10 min

2.3.4 局部抗擠壓

局部抗擠壓反映出支架在釋放到血管后對血管壁的作用力。圖8所示為NiTi自膨式血管支架局部抗擠壓測試結果圖，可以看出，局部抗擠壓的測試結果與徑向支撐力有一定的相似性。400oC和450oC的熱處理溫度下局部抗擠壓的力值較低，在釋放后血管持續脈動條件下，對于在特定部分需要撐起病變、貼合血管而言，會有較高的風險。較高的局部抗擠壓力值仍出現在500oC和550oC熱處理溫度附近，且隨著熱處理時間的延長，局部抗擠壓力值有一定下降趨勢，該趨勢在500oC表現得更為明顯。雖然圖8中550oC的局部抗擠壓力值更高，但局部抗擠壓反映的是釋放后單點對血管壁的反饋。如2.3.3節所述，如果徑向支撐力不能滿足，支架在即刻打開和貼壁有很大風險的前提下，局部抗擠壓力值即使較高，也難以起到積極作用。基于上述分析，優選500oC，10 min作為最佳熱處理參數。

圖8 不同熱處理工藝NiTi自膨式血管支架局部抗擠壓曲線Fig 8 Local extrusion resistance curve of NITI self-expanding vascular stents in different heat treatment processes

2.4 耐腐蝕

NiTi在植入人體后受周圍環境的影響，會產生一定的腐蝕現象[12]，從而導致合金自身的生物相容性嚴重降低[13]，故研究NiTi合金的耐腐蝕能力變得尤為關鍵。結合2.3節部分的分析對500oC熱處理條件下NiTi自膨式血管支架耐腐蝕進行測試，表1是500oC熱處理條件下NiTi自膨式血管支架耐腐蝕研究的測試結果，結果表明熱處理時間對耐腐蝕性能會造成一定波動，500oC下，10 min和15 min水平相當，而20 min的測試結果較高，測試結果均高于5 min。20 min耐腐蝕性能較好應與其氧化層厚度有一定關系，隨著熱處理時間的延長，氧化層厚度逐漸增加，對基體耐腐蝕能力的提升起到積極作用。而500oC，10 min相比較20 min而言，其耐腐蝕水平有一定差異，但仍高于5 min，由此可以看出雖熱處理時間短，氧化層厚度較薄，但其耐腐蝕能力并不差。這主要和熱處理時間的延長有關。10 min熱處理后基材表面氧化層厚度相比較而言略厚，而且，較為充裕的熱處理時間，其氧化層會逐漸均勻。500oC，10 min熱處理后NiTi自膨式血管支架表面形成了相對均勻的TiO2氧化層薄膜，可明顯提高支架耐腐蝕能力。

3 結論

合適的熱處理工藝對獲得NiTi自膨式血管支架的超彈特性有積極作用，不同熱處理條件可以對NiTi自膨式血管支架Af溫度、彈性變形適應性、徑向支撐力和局部抗擠壓等性能指標產生不同影響。研究表明在溫度為500oC，時間為10 min的熱處理條件下可獲得NiTi自膨式血管支架的最佳形狀恢復能力。