新型蜂窩結(jié)構(gòu)可降解氣道支架的計(jì)算力學(xué)分析*

孫文超,崔彪,張治國(guó)△

(1.河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,常州 213002;2.中汽創(chuàng)智科技有限公司,南京 211100)

0 引言

良性氣道狹窄是指由于氣管、支氣管結(jié)核,良性腫瘤以及軟骨環(huán)強(qiáng)度不足等良性病變導(dǎo)致的氣道狹窄。臨床表現(xiàn)為咳嗽、咯痰、呼吸困難及喘鳴等,長(zhǎng)期如此會(huì)影響患者的肺通氣功能,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致患者窒息死亡[1]。臨床數(shù)據(jù)顯示,在我國(guó)引發(fā)良性氣道狹窄的主要病因是結(jié)核感染,其次是氣管插管和氣管切開(kāi)引發(fā)的狹窄[2]。據(jù)中國(guó)疾控中心統(tǒng)計(jì),因結(jié)核、氣管插管以及氣管切開(kāi)術(shù)導(dǎo)致的氣道狹窄患者每年大約新增300萬(wàn)例[3]。此外,氣道內(nèi)/外部良性腫瘤以及自身軟骨環(huán)強(qiáng)度不足,也是引發(fā)氣道狹窄的重要病因。目前,我國(guó)良性氣道狹窄的發(fā)病率呈逐年升高趨勢(shì)[4-8]。

對(duì)于氣道狹窄,傳統(tǒng)的治療方法主要是外科手術(shù),如狹窄段氣管切除后行端吻合術(shù)[9]。但由于手術(shù)治療創(chuàng)傷大、風(fēng)險(xiǎn)高、并發(fā)癥多且某些患者體質(zhì)不適合手術(shù)治療等因素,在臨床應(yīng)用中存在局限性[10-12]。近年來(lái),隨著介入治療技術(shù)的迅速發(fā)展,氣道支架植入術(shù)成為治療良/惡性氣道狹窄的有效方法。通過(guò)植入氣道支架可迅速擴(kuò)張氣道狹窄段,緩解患者呼吸困難的癥狀[13-15]。與傳統(tǒng)手術(shù)治療相比,氣道支架植入術(shù)創(chuàng)傷小、恢復(fù)快并且易耐受。

目前,臨床上常用的氣道支架主要為鎳鈦合金和硅酮支架[16-19],二者都不具備可降解性。對(duì)于良性狹窄患者,待狹窄解除后取出支架,極有可能對(duì)氣道造成二次傷害,進(jìn)而導(dǎo)致氣道再狹窄,為此可降解支架成為最佳選擇。可降解支架植入患者體內(nèi)后既可使管腔保持通暢,又能在一定時(shí)間后自行降解,避免對(duì)患者的二次傷害。但研究發(fā)現(xiàn),可降解類支架普遍存在徑向支撐力不足的問(wèn)題[20-21]。為此,本研究設(shè)計(jì)了一款具有蜂窩結(jié)構(gòu)的可降解氣道支架,以期通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu),提高支架的徑向支撐力。

1 材料與方法

1.1 設(shè)計(jì)構(gòu)思

采取蜂窩結(jié)構(gòu)一方面可保證支架的力學(xué)性能,對(duì)徑向外力(側(cè)向力)起到較好的抵抗作用;另一方面蜂窩網(wǎng)孔既節(jié)省材料,又能增大支架的壁面空間,有利于纖毛透過(guò)孔隙進(jìn)行擺動(dòng)。由于完全采用蜂窩結(jié)構(gòu)會(huì)降低支架的柔順性,故本研究引入類正弦結(jié)構(gòu),并利用均勻分布的“I”型連接筋連接蜂窩和正弦結(jié)構(gòu)組成支撐單元。蜂窩結(jié)構(gòu)支架的局部二維結(jié)構(gòu)示意圖,見(jiàn)圖1。

1.2 蜂窩結(jié)構(gòu)氣道支架幾何模型的建立

基于以上設(shè)計(jì)思路和真實(shí)人體氣道模型,本研究建立了蜂窩結(jié)構(gòu)氣道支架的三維模型。首先,通過(guò)醫(yī)學(xué)影像處理軟件Mimics 21.0重建患者狹窄氣道的三維數(shù)值模型(見(jiàn)圖2);然后,借助三維逆向工程軟件Geomagic Design X 2019完成狹窄段氣道壁模型的建立以及表面優(yōu)化處理,并測(cè)出狹窄段氣道的尺寸(見(jiàn)圖3);最后,基于已測(cè)得的狹窄段氣道尺寸,使用三維軟件SolidWorks 2018對(duì)支架進(jìn)行建模,設(shè)計(jì)與患者狹窄氣道尺寸相匹配的支架。

圖2 人體氣道三維重建模型

圖3 狹窄段氣道尺寸

本研究蜂窩結(jié)構(gòu)可降解氣道支架外形設(shè)計(jì)為直管型。臨床常用的鎳鈦合金支架絲徑一般為0.2～0.3 mm,本節(jié)首先取0.25 mm進(jìn)行分析,將支架的壁厚及筋寬均設(shè)為0.25 mm,其展開(kāi)周長(zhǎng)l=D×π=16π=50.27 mm,見(jiàn)圖4。最后得到蜂窩結(jié)構(gòu)支架的三維模型,見(jiàn)圖5。同時(shí),為探究改進(jìn)方案的有效性,本研究選取類正弦結(jié)構(gòu)支架(見(jiàn)圖6)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)氣道支架(見(jiàn)圖7)進(jìn)行對(duì)比分析。類正弦結(jié)構(gòu)支架和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架的三維模型采用相同尺寸和方法獲得。

圖4 蜂窩結(jié)構(gòu)支架平面展開(kāi)圖

圖5 蜂窩結(jié)構(gòu)支架三維模型

圖6 類正弦結(jié)構(gòu)支架

圖7 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架

1.3 蜂窩結(jié)構(gòu)可降解氣道支架的計(jì)算力學(xué)分析

1.3.1壓握殼幾何模型建立 采用SolidWorks 2018對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)氣道支架完成建模后,將支架模型以STEP的格式導(dǎo)入ABAQUS。在模擬支架的壓握方法中,采用壓握殼的方式會(huì)使支架變形更均勻、計(jì)算更穩(wěn)定,因此,本研究采用將載荷加載于壓握殼表面的方法來(lái)進(jìn)行壓握仿真模擬。壓握殼的幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,故可直接在ABAQUS軟件的Part模塊中完成建模,為保證支架整體均能被接觸,設(shè)置其軸向長(zhǎng)度為46 mm,隨后將壓握殼與導(dǎo)入的支架模型進(jìn)行同軸裝配,見(jiàn)圖8。

圖8 支架與壓握殼裝配模型

1.3.2材料屬性設(shè)置 氣道支架的材料直接決定其力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn),可降解左旋聚乳酸(Poly-L-Lactic Acid, PLLA)有著良好的生物相容性,目前已廣泛應(yīng)用于可降解聚合物支架本體材料的有限元模擬中,故本研究選用PLLA作為氣道支架材料進(jìn)行有限元分析。通過(guò)查閱相關(guān)資料對(duì)PLLA支架賦予材料屬性,并將其等效為各向同性彈塑性模型,具體參數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 支架材料屬性

目前有限元分析中對(duì)壓握殼無(wú)非常明確的材料模型,本研究依據(jù)已有的相關(guān)文獻(xiàn)將壓握殼定義為超彈性橡膠,本構(gòu)模型采用超彈性模型中的Mooney-Rivlin模型。相對(duì)而言,越高階的選項(xiàng),精度越高,但會(huì)增加計(jì)算工作量。鑒于壓握殼非本研究的重點(diǎn)內(nèi)容,故選擇較為簡(jiǎn)單的兩個(gè)參數(shù)模型,具體形式如下:

(1)

(2)

(3)

其中,W表示應(yīng)變能密度函數(shù);λ1、λ2、λ3表示主伸長(zhǎng)率;C10和C01表示Mooney-Rivlin模型的參數(shù),其中C10=1.068 800 MPa,C01=0.710 918 MPa;D1是一個(gè)與壓縮和超彈性相關(guān)的參數(shù),橡膠材料在壓縮狀態(tài)下的變形量很小,可假設(shè)為不可壓縮材料[22];I1、I2分別表示左柯西-格林變量中的第一、第二不變量。

1.3.3網(wǎng)格劃分 本研究采用掃掠網(wǎng)格劃分技術(shù)和進(jìn)階算法對(duì)支架模型劃分六面體網(wǎng)格。三維網(wǎng)格單元類型選擇8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元(C3D8R)。蜂窩結(jié)構(gòu)支架總共劃分了62 469個(gè)網(wǎng)格單元,109 804個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)(圖9)。類正弦結(jié)構(gòu)支架全局種子尺寸大小為0.14 mm,共劃分了26 248個(gè)網(wǎng)格單元。經(jīng)網(wǎng)格質(zhì)量檢查,平均縱橫比為1.43,平均幾何偏心因子近似為0,分析錯(cuò)誤及警告單元均為0,其網(wǎng)格質(zhì)量良好。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架的全局種子尺寸大小為0.129 mm,共劃分57 920個(gè)網(wǎng)格單元。網(wǎng)格質(zhì)量檢查中,其平均縱橫比為1.26,平均幾何偏心因子為0.002,分析錯(cuò)誤及警告單元均為0,表明該模型的網(wǎng)格質(zhì)量良好。

圖9 支架網(wǎng)格模型

圖10 壓握殼網(wǎng)格模型

1.3.4接觸及邊界條件設(shè)置 支架與壓握殼兩個(gè)實(shí)體之間采用面與面接觸類型,選擇壓握殼內(nèi)表面作為主面,支架外表面作為從面,以有限滑移作為面與面之間的滑移公式,從面調(diào)整設(shè)置為調(diào)整至刪除過(guò)盈,表面平滑設(shè)置為自動(dòng)平滑3D幾何表面。支架與壓握殼在接觸時(shí)不能發(fā)生穿透,因此,接觸作用屬性中將接觸壓力與接觸間隙關(guān)系設(shè)為硬接觸。

建立參考柱坐標(biāo)系(Datum csys-2),原點(diǎn)設(shè)在直角坐標(biāo)系的圓心處,R、Z、T三個(gè)軸分別代表支架的徑向方向、軸向方向(垂直于平面)、圓周方向(見(jiàn)圖11)。在R軸方向?qū)何諝け砻媸┘?1.0 mm的位移載荷(向內(nèi)),使支架在壓握殼作用下發(fā)生變形,通過(guò)轉(zhuǎn)換,計(jì)算其徑向支撐力。為使支架在加載過(guò)程中只發(fā)生軸向長(zhǎng)度變化,故限制支架一端節(jié)點(diǎn)的軸向位移為0,釋放R軸方向自由度;對(duì)另一端只施加周向約束,避免支架在壓握時(shí)出現(xiàn)扭曲;約束支架中部節(jié)點(diǎn)的周向轉(zhuǎn)動(dòng),確保支架僅在徑向變形,以免發(fā)生剛體位移。

圖11 約束與加載示意圖

2 結(jié)果

圖12(a)為蜂窩支架的Mises應(yīng)力分布云圖與局部放大云圖。由圖可知,高應(yīng)力區(qū)域主要分布在支撐體彎曲的波峰、波谷處,這是因?yàn)閺澢牟ǚ濉⒉ü仍谕饬ψ饔孟卤粩D壓,是支架發(fā)生變形的主要區(qū)域,故該部位的應(yīng)力高于其他區(qū)域。最大應(yīng)力為65.01 MPa,出現(xiàn)在波谷(圖中虛線框),應(yīng)力集中是支架局部區(qū)域應(yīng)力顯著增大的現(xiàn)象,應(yīng)力集中的區(qū)域是支架結(jié)構(gòu)的薄弱位置。

圖12(b)和圖13分別為類正弦結(jié)構(gòu)可降解支架的Mises應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變分布云圖。由Mises應(yīng)力分布云圖可知,支架被均勻地向內(nèi)壓握。壓握結(jié)束時(shí),支架的高應(yīng)力主要集中在支撐體彎曲的波峰、波谷處,而連接筋的應(yīng)力較小。因?yàn)閺澢幨侵Ъ馨l(fā)生變形的主要區(qū)域,故彎曲處的應(yīng)力高于其他區(qū)域,支架在該處最易發(fā)生破壞變形。該結(jié)構(gòu)支架所受的最大Mises應(yīng)力為65 MPa,與蜂窩結(jié)構(gòu)支架的最大Mises應(yīng)力幾乎一致,二者整體應(yīng)力結(jié)果差異不大,同時(shí)應(yīng)力分布規(guī)律和應(yīng)力集中的位置相似。結(jié)合支架的等效塑性應(yīng)變結(jié)果分析,發(fā)生塑性應(yīng)變的區(qū)域在支撐體彎曲的波峰、波谷處,最大應(yīng)變約為0.05,但大部分位置的塑性應(yīng)變?yōu)?。相較于蜂窩結(jié)構(gòu)支架,該結(jié)構(gòu)支架應(yīng)變最大值相對(duì)較高,說(shuō)明壓握過(guò)程經(jīng)歷的塑性應(yīng)變較大。

圖12(c)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架在壓握結(jié)束后的Mises應(yīng)力。根據(jù)應(yīng)力云圖分析,由于支架具有重復(fù)的網(wǎng)格單元,因此,每個(gè)網(wǎng)格上的應(yīng)力分布具有一致性。高應(yīng)力集中在各相鄰網(wǎng)格單元的V形交叉處,而由交叉處向外至筋中部應(yīng)力逐漸變小。由于在壓握過(guò)程中,交叉處發(fā)生了較大的變形導(dǎo)致應(yīng)力過(guò)大,因此交叉處在壓握狀態(tài)下最易發(fā)生斷裂。此外,根據(jù)應(yīng)力云圖顯示結(jié)果,該結(jié)構(gòu)支架的整體應(yīng)力水平值明顯高于蜂窩結(jié)構(gòu)支架。結(jié)合應(yīng)變?cè)茍D可知,交叉處為支架的高應(yīng)變區(qū)域,這與應(yīng)力的分布結(jié)果一致。過(guò)高的應(yīng)變?nèi)菀讓?dǎo)致支架斷裂,影響其疲勞壽命。

圖12 不同結(jié)構(gòu)支架的Mises應(yīng)力云圖

圖13 類正弦結(jié)構(gòu)支架等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

支架的徑向支撐力可反映支架植入后抵抗狹窄氣道的能力,是評(píng)估支架支撐狹窄氣道優(yōu)異的重要力學(xué)指標(biāo)之一[22]。

在ABAQUS有限元模擬中,支架與壓握殼之間是均勻接觸的,但由于支架外表面呈弧面狀,不能通過(guò)接觸壓力的合力(total force due to contact pressure, CFN)直接得到法向接觸力(magnitude of total force due to contact pressure, CFNM)。因此,本研究通過(guò)輸出壓握過(guò)程中面上各節(jié)點(diǎn)的接觸壓強(qiáng)(contact pressure,CPRESS)計(jì)算支架的CFNM。支架的徑向支撐力在數(shù)值上等于CFNM之和,方向相反。本節(jié)建立的支架徑向支撐力計(jì)算方法見(jiàn)式(4):

∑CFNM=∑從面節(jié)點(diǎn)CPRESS×支架面積÷節(jié)點(diǎn)數(shù)

(4)

提取壓握結(jié)束時(shí)刻ABAQUS后處理中的接觸壓強(qiáng)值,通過(guò)式(4)計(jì)算各支架的徑向支撐力。結(jié)果表明,在保持支架材料一致的情況下,蜂窩結(jié)構(gòu)支架的徑向支撐力約為5.34 N,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架約為4.90 N,類正弦結(jié)構(gòu)支架約為4.31 N。

對(duì)比可知,當(dāng)氣道支架材料均為PLLA時(shí),相較于類正弦結(jié)構(gòu)與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),蜂窩結(jié)構(gòu)支架的徑向支撐力分別提高了19.29%和8.24%。

3 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的蜂窩與類正弦結(jié)構(gòu)結(jié)合的可降解氣道支架,在保持氣道支架材料、筋寬與壁厚一致情況下,相比于其他兩種結(jié)構(gòu)氣道支架在徑向支撐力方面優(yōu)勢(shì)較為明顯。由有限元模擬結(jié)果可知,蜂窩結(jié)構(gòu)支架的徑向支撐力表現(xiàn)最佳,為5.34 N;網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)次之,為4.90 N;類正弦結(jié)構(gòu)最差,僅為4.31 N。因此,本研究設(shè)計(jì)的蜂窩結(jié)構(gòu)在一定程度上提高了支架的徑向支撐力。