新型混编支架的制备与径向支撑力学行为

doi:10.12307/2025.419

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (16): 3440-3448.doi: 10.12307/2025.419

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新型混编支架的制备与径向支撑力学行为

薛广明，木合塔尔·克力木，李洪

新疆大学机械工程学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830047

收稿日期:2024-01-17 接受日期:2024-03-22 出版日期:2025-06-08 发布日期:2024-09-04
通讯作者: 木合塔尔·克力木，教授，新疆大学机械工程学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830047
作者简介:薛广明，男，1996年生，山西省吕梁市人，汉族，硕士，主要从事血管支架结构设计及降解分析方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金项目(12362030)，项目负责人：木合塔尔·克力木

Preparation and radial support mechanical behavior of new mixed braided stents

Xue Guangming, Muhetaer · Kelimu, Li Hong

School of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China

Received:2024-01-17 Accepted:2024-03-22 Online:2025-06-08 Published:2024-09-04
Contact: Muhetaer · Kelimu, Professor, School of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Xue Guangming, Master, School of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
Supported by:
National Natural Science Foundation of China, No. 12362030 (to MK)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
狗骨率：通常指支架在扩张或压缩过程中的形状变化。当一个血管支架从一个较小的直径扩张到一个较大的直径时，它的两端可能会变宽，形成类似狗骨头两端的形状，这种形状变化可能影响支架的性能，包括其在血管内的稳定性和对血管壁的压力分布。
支架内皮化：指血管内皮细胞在血管支架表面生长和覆盖的过程。支架植入血管后，血管内皮细胞会开始在支架表面生长并逐步形成一个完整的层状结构，完全的支架内皮化有助于支架与血管的和谐融合，从而降低再狭窄和血栓形成的风险。

背景：编织支架因良好的柔顺性被广泛应用于狭窄动脉的治疗，但在提供足够的径向支撑性能方面存在明显局限。
目的：针对单一材料制成的编织支架存在径向支撑力不足的问题，采用不同力学参数的生物可降解材料混合编织支架，探究影响混编支架径向力学性能的影响因素。
方法：在镁合金支架中引入铁合金纱线，采用有限元分析法对不同编织参数的混编支架进行参数化分析，通过与0.18 mm直径镁合金纱线制备的普通支架进行对比，评估其径向支撑力、径向回弹率和扩张不均匀性。
结果与结论：①当铁合金纱线直径为0.18 mm和0.14 mm时，随着铁合金纱线数量的增多，混编支架的径向支撑力增加；此时，尽管直径0.14 mm铁合金纱线提供的径向支撑力小于同数量的0.18 mm铁合金纱线，但增加细铁合金纱线的数量可以达到与较粗铁合金纱线混编支架相媲美的径向支撑力。当铁合金纱丝直径为0.10 mm时，随着铁合金纱线数量的增加，混编支架的径向支撑力降低。②增大编织角度，混编支架的径向支撑力降低，但其径向回弹率和狗骨率得到了改善。通过降低编织角可以改善小直径铁合金纱线造成的支架径向支撑力不足。③结果显示，在镁合金支架中引入铁合金纱线，可以实现在不增加纱线直径的情况下精确地调整支架的径向力学性能，这不仅克服了单一材料支架的局限性，也为多材料支架的设计提供了新思路。
https://orcid.org/0009-0002-5518-8111 (薛广明)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

关键词: 编织支架, 生物可降解材料, 镁合金, 铁合金, 支架结构, 径向支撑性能, 狗骨率, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: Braided stents are widely used for treating stenotic arteries due to their good flexibility, but they have significant limitations in providing adequate radial support.
OBJECTIVE: In response to the lack of radial support of braided stents made of a single material, a mixed braided stent using biodegradable materials with different mechanical parameters was developed to explore the influencing factors affecting the radial mechanical properties of the mixed braided stent.
METHODS: Fe-alloy yarn was introduced into the Mg-alloy stents, and the stents with various braiding parameters were analyzed using finite element analysis. The radial support, radial recoil and expansion non-uniformity of the mixed braided stents were evaluated by comparing with ordinary 0.18 mm Mg-alloy stents prepared by yarn.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) When the Fe-alloy yarn diameters were 0.18 mm and 0.14 mm, the radial support force of the stent increased continuously with the introduction of more and more Fe-alloy yarns. Although the radial support provided was less by the 0.14 mm Fe-alloy yarns than by the same number of 0.18 mm Fe-alloy mixed braided stents, an increase in the number of Fe-alloy yarns resulted in a radial support comparable to that of the thicker Fe-alloy yarns. When the Fe-alloy yarn diameter was 0.10 mm, the radial support of the stents decreased with the increase in the number of Fe-alloy yarns. (2) When the braiding angle was increased, the radial support force of the stents was reduced, but the radial recoil and expansion non-uniformity were improved. By adjusting the braided angle, the lack of radial support force caused by small diameter Fe-alloy yarns could be improved. (3) It is concluded that this method can improve the radial mechanical properties of the stent without increasing the yarn diameter. This not only overcomes the limitation of single-material stents, but also provides a new idea for the design of multi-material stents.

Key words: braided stents, bioresorbable materials, magnesium-alloys, iron-alloys, stent structure, radial support properties, dog-bone rate, finite element analysis

中图分类号:

薛广明, 木合塔尔·克力木, 李洪. 新型混编支架的制备与径向支撑力学行为[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(16): 3440-3448.

Xue Guangming, Muhetaer · Kelimu, Li Hong. Preparation and radial support mechanical behavior of new mixed braided stents[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(16): 3440-3448.

图/表（结果） 5

2.1 普通和混编支架在压握扩张过程中各阶段的变形和应力分布如图4所示，经过压握变形后，普通和混编支架的应力分布表现出明显差异，由于铁合金纱线的屈服强度较高，混编支架在扩张前后均表现出较高的应力，然而，两种支架在压缩和扩张过程中的变形表现相似。两种支架的中间部分由于纱线相互交叉承受较大的应力，均发生塑性变形，这使得支架在自扩张完成后其直径不能完全恢复到原始状态。此外，这两种支架的两端在压握结束后应力较小，回弹较中间部位更明显，形成了两边大、中间小的扩张不均匀现象。由于混编支架中两种材料的力学性能不同，支架在扩张后两端纱线较普通镁合金支架排列混乱。所有结构参数混编支架在径向压缩和扩张后的应力云图，见图5所示。

2.2 普通和混编支架直径-径向力曲线图6展示各组支架变形后的直径-径向力曲线。从曲线的总体分布来看，混编支架径向支撑力的变化趋势与原始镁合金编织支架一致。当铁合金纱线直径为0.18 mm和0.14 mm时，混编支架径向支撑力随着引入铁合金纱线数量的增多而增大。在同一铁合金纱线数量下，直径0.18 mm铁合金纱线混编支架的径向支撑力远大于直径0.14 mm铁合金纱线混编支架，并且引入的铁合金纱线数量越多差异越大。此外，D-12-30-014混编支架的最大径向支撑力为0.113 N/mm，D-04-30-018混编支架的最大径向支撑力为0.126 N/mm，表明通过增加铁合金纱线的数量，细铁合金混编支架可以达到与少量较粗铁合金纱线混编支架相媲美的径向支撑力。当铁合金纱线直径降低至0.10 mm时，情况发生了变化：混编支架的径向支撑力均低于原始镁合金编织支架，并且引入的铁合金纱线数量越多，混编支架的径向支撑力反而越小。
图6还展示了不同编织角度制成的混编支架变形后的直径-径向力曲线。在同一铁合金纱线直径下，增大初始编织角会导致混编支架径向支撑力的急剧降低。在同一编织角度时，铁合金纱线直径越大，混编支架的径向支撑力也越大。D-12-30-010、D-12-40-014、D-12-50-018混编支架的最大径向强度分别为0.063 54，0.063 8，0.069 0 N/mm，尽管0.18 mm直径铁合金纱线比0.14 mm和0.10 mm直径铁合金纱线更粗，但是通过调整编织角度，这3种直径铁合金纱线制成的混编支架可以具有近似的支撑力。

2.3 普通与混编支架的径向回弹率和狗骨率图7为混编支架的径向回弹率和狗骨率随各结构参数的变化趋势。铁合金纱线直径为0.18 mm和0.14 mm时，随着铁合金纱线数量的增加，混编支架的径向回弹率和狗骨率略微下降。然而，这一规律在铁合金纱线直径为0.10 mm时得到了逆转，增加铁合金纱线数量对提高混编支架的径向回弹率有积极影响，但也使得狗骨率略微增大。而增大编织角度可以大幅改善支架的回弹率和狗骨率。当编织角度达到60°，混编支架的径向回弹接近其初始直径，同时狗骨率也趋近于0%。

2.4 编织支架轴向长度数值验证结果图8为在压缩过程中支架长度变化曲线，对仿真结果与数值解析结果进行对比。根据公式(6)可知，支架在变形过程中长度的变化仅与初始直径和编织角有关，因此对于不同纱线直径或不同材料纱线比例的支架，在压缩过程中的长度变化曲线一致；而对于不同编织角支架，随着编织角的增大，支架的轴向伸长逐渐降低。压缩支架直径-长度曲线显示了解析解和数值模型之间很好的一致性，表明了仿真模型的可靠性。

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引言

血管支架植入手术由于具有创伤小、风险低等优势被广泛用于治疗血管狭窄性疾病[1]，但传统支架长期植入存在支架内再狭窄和血栓形成的潜在风险，限制了其广泛应用[2-3]。随着生物材料的发展，生物可降解支架应运而生。理想的生物可降解支架应具有可靠的机械性能、良好的生物相容性以及合理的降解周期[4-5]，然而，目前研究中的生物可降解支架面临一系列问题，如机械性能不足或降解周期不适宜等[6-8]。除了开发新材料外，通过设计优化支架结构来提高生物可降解支架的力学性能和降解问题也是一种不错的解决方法[9-11]。
编织支架由多根连续交替的纱线制成，具有良好的柔顺性，可以适应更大的变形[12]，适用于下肢动脉中高度弯曲的血管或复杂的力学环境[13-14]。然而编织支架面临着径向支撑力不足等问题，导致支架植入后发生再狭窄[15]。文献中已广泛使用有限元分析方法来分析支架的径向支撑力学行为[16]。近年来提出改善编织支架机械性能的方法主要集中在改变支架几何参数来提高支架径向支撑性能[17-19]，但由于材料机械性能的限制，仅通过改变几何参数来改善支架的这些特性是不可行的。因此，学者们通过改进单丝材料性能[20-21]、编织结构[22]、聚合物覆膜[23]、限制交叉点的滑动和旋转能力来提高支架的径向支撑性能[24]。此外，LIU等[25]采用不同直径纱线的混合编织技术制备聚左旋乳酸可自膨胀编织支架，发现使用大直径单丝可以增强支架的径向支撑性能；薛雯[26]在镍钛合金纱线上包覆涤纶；HAN等[27]在聚左旋乳酸纱线表面包覆聚二恶烷酮，均提升了支架的径向支撑力。然而，这几种设计均会导致支架纱线直径增大，不利于支架内皮化。
镁合金支架较短的降解周期并不能满足血管正常功能重建的需要[28-29]，而铁合金具有较长的体内降解周期，并且具有较强的力学性能[30]，这有助于制造出更细的纱线，有利于支架内皮化[31]。因此，为了降低纱线直径并提高编织支架的径向支撑能力，此次实验在镁合金编织支架中引入铁丝组分进行混编，通过有限元方法揭示编织参数(包括两种材料的编织比例、编织角和铁合金纱线直径)对混编支架径向力学性能的影响规律，为提高血管支架的径向支撑性能提供了一种途径。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计编织支架结构优化，探究编织参数对支架径向支撑性能的影响。
1.2 时间及地点实验于2023年6-12月在新疆大学机械工程学院完成。

1.3 材料实验采用的生物可吸收镁合金材料为AZ31，铁合金材料为渗氮铁[32]，两种材料均具有良好的生物相容性及力学性能，有利于血管支架提供稳定的支撑，同时减少并发症风险。两种材料的力学参数见表1。

1.4 方法
1.4.1 编织支架模型的建立赵帆[33]提供了关于不同结构的三维编织模型的数学公式，此次实验管状支架几何模型的建立就是基于这些研究进行的。将编织结构的数学公式输入到三维建模软件Nx12中，对其进行了参数化建模。通过定义修改特定的参数得到不同编织结构的编织支架，模型外径D0=6 mm，轴向长度L=(23.0±0.3) mm，混编的总纱线数量保持为24根，镁合金纱线的直径保持为d1=0.18 mm，逐步将镁合金纱线替换为铁合金纱线，铁合金纱线均匀分布以获得周向对称结构。图1为混合编织支架的结构示意图。
实验将普通镁合金支架作为对照组，设计了两组不同结构参数的混编支架，包括镁合金纱线数量n1和铁合金纱线数量n2的比例、编织角、镁合金纱线直径d1、铁合金直径d2的值，见表2。为了在计算结果的精度和计算成本之间取得平衡，对仿真模型进行网格独立性研究，所有支架模型均使用平均尺寸为0.08 mm梁单元(B31)尺寸。为了防止压缩扩张过程中纱线相互滑移运动，摩擦系数选择为0.2[34]。
1.4.2 压握装置为了尽可能地模拟实际的径向压握过程，需要同时移动多个压握单元片来对支架施加均匀的压力。为使支架与压握片接触良好，压握片设计为圆心角30°的圆弧薄片，并沿圆周阵列12片，这些压握片在圆周方向上均匀分布。压握片在模拟径向压缩支架的过程中与支架相比几乎不发生变形且只发生整体平动，因此将其视为刚体。压握片网格单元的类型为4节点三维四边形双线性刚体单元(R3D4)，整体单元尺寸为0.04 mm。
实验采用特定的命名法来定义支架，其中，D代表菱形结构，普通镁合金支架模型被标识为“D-Mg”。混编支架采用“D-铁合金丝线数量-编织角-铁合金纱线直径”，例如：1根菱形混编支架中含有4根铁合金纱线，其直径为0.10 mm，编织角为30°，该支架被定义为“D-04-30-010”。
1.4.3 边界条件及数值计算方法考虑到支架卷缩扩张过程中存在几何非线性、边界条件非线性以及复杂的接触情况，实验采用ABAQUS/Explicit求解器进行准静态模拟。此外在计算过程中，为避免由惯性力所引起的计算误差，需确保在整个计算过程支架动能不超过其内能的5%。
将建立好的支架与压握模型进行装配，最终装配模型如图2A所示，压握片位于支架外表面。在每个压握片的形心位置设置参考点，并将这些参考点与相应的压握片绑定。通过对这些参考点进行约束来控制整个压握装置的运动。选取支架模型中间部位的一个节点进行周向和轴向限制，以避免支架发生刚体运动。
支架与压握装置的装配涉及支架纱线间接触和压握单元片与支架表面接触2种主要接触。此外，支架在变形过程中纱线会出现旋转和滑移，因此在Abaqus/Explicit中采用“通用接触”设置，可以有效自动检测和更新纱线之间的接触状态，确保模拟准确性和连续性。同时，设置支架和压握装置之间为无摩擦接触。为防止接触点之间发生穿透和压缩，法向接触设置为“硬接触”。
在支架中心轴位置建立柱坐标系，将Z轴设置为支架的轴向方向，以便施加边界条件，如图2B所示。在定义的柱坐标系下，使用平滑的模拟时间，对模型施加位移载荷：限制压握片的周向和轴向运动，并对其施加径向位移-2 mm，支架通过压握模型施加的位移边界条件发生径向压缩，其直径从6 mm卷缩到2 mm；约束压握片径向位移2 mm，模拟撤去压握装置，支架发生回弹。

1.5 主要观察指标支架的径向刚度是支架在来自腔壁的短期或长期外部载荷下抵抗塌陷的能力，这是支架最重要的特性之一。为了方便比较不同尺寸支架的径向性能，对测量的径向力进行长度归一化处理：

式中，FR是径向接触力RFi的标量之和，L表示为支架变形过程中的长度。
由于金属纱线的弹塑性变形和细丝之间的摩擦，编织支架在扩张后不会恢复到原来的外径，这可以定义为径向回弹。过低的径向回弹率将导致支架在释放后无法提供足够的支撑力来撑开狭窄的血管区域，增加了支架移位或不完全扩张导致的血管再狭窄风险。可以根据公式计算出径向回弹率：

式中，D1和D0是测试前后支架中间位置的支架外径。
此外，支架的扩张伴随着呈现出两端直径大，中间小的扩张不均匀现象，形成“狗骨”效应。“狗骨”变形严重影响支架的疲劳性能，且会对血管壁产生较大的机械应力，增加支架内再狭窄的风险[35]。可以通过狗骨率来量化支架的“狗骨”效应：

其中，Dd和Dp分别表示在扩张过程中某一时刻支架近端和远端的直径，Dc为对应时刻支架中心的直径。
编织支架轴向长度数值验证：数值解析公式作为理论研究中的一项关键工具，这些工作为编织支架的后续研究奠定了坚实的基础。此次实验根据JEDWAB等[39]构建的解析公式以评估血管支架在压缩过程中支架长度随直径的变化，通过数值解析公式的结果对比验证来确保仿真结果的准确性和可靠性。
开放端编织支架在受到径向压缩作用时，其长度从L0伸长为L。与此同时，支架直径D0变化为D，编织角也从α0变化为α。支架在压缩前后的变形图如图3所示。

支架在径向压缩过程中的直径为：

由于支架在压缩过程中的直径是由压握装置通过位移驱动，因此，通过支架直径可获得支架在压缩过程中的编织角的变化：

压缩过程中的支架长度为：

讨论

在采用单一材料纱线编织的普通支架研究中发现，通过增加纱线直径或者纱线数量可以提高支架的径向支撑性能[36]；此外，减小编织角能够增强支架的径向支撑力，但同时也会导致支架轴向伸长率的增大[37]。较大的轴向伸长影响了支架的精确定位，并且会使支架与动脉壁之间产生摩擦，从而损伤内皮[38]。当单一材料纱线编织的血管支架无法满足特定的力学性能需求时，可以将支架纱线替换为机械性能更强的材料。在此基础上，通过改变编织角以及引入纱线的数量和直径来实现最佳的性能平衡。在不增加纱线直径的前提下，为了提高支架的力学支撑性能，此次实验在镁合金编织支架的基础上引入不同直径的铁合金纱线，通过有限元分析方法综合分析了混编支架的径向支撑力、径向回弹率和扩张不均匀现象，探究编织角、铁合金纱线直径和比例对上述性能的影响规律。
此次实验根据JEDWAB等[39]构建了解析公式以评估编织支架在压缩过程中支架长度随直径的变化，通过数值解析公式结果对比验证了仿真结果的准确性和可靠性。
铁合金纱线在材料力学性能上相较于镁合金具有明显优势，在混编后，0.18 mm铁合金纱线增加了支架结构强度，支架具有更强的径向支撑力。此次实验结果表明，即使减小铁合金纱线的直径至0.14 mm，混编支架的力学性能依然优于镁合金支架，在此情况下增加铁合金纱线数量会进一步加强支架的径向支撑力。此时，尽管细铁合金纱线提供的径向支撑小于粗铁合金纱线，但通过增加细纱线的数量可以实现与粗铁合金纱线混编支架类似的径向支撑效果，这对于支架后期的内皮化过程非常有益，而这是单一材料支架难以实现的。JEDWAB等[39]的理论研究表明，支架伸长率仅与编织角有关，因此该结构设计在提高径向支撑力时不会使得支架的轴向伸长率增大，这是一个独特的优势。然而当铁合金纱线的直径减小到0.10 mm时，铁合金将无法提供与0.18 mm镁合金纱线相同的支撑力，这限制了混合材料支架的径向支撑性能。在这种情况下，增加纱线数量以改善这一缺陷往往适得其反。
降低混编支架编织角度可以提高支架的径向支撑力，这一发现与单一材料不同纱线直径混编支架的变化规律是一致的，一定程度上证明了本模拟研究的正确性[25]。通过调整编织角，可以补偿由于引入较小直径铁合金材料纱线而导致的支撑不足。支架的径向回弹率越高，其扩张性能越好。在释放扩张过程中，表现出两边直径大、中间小的扩张不均匀现象，是支架边缘周围观察到急性血管损伤的原因之一[40]。然而，目前关于编织支架在扩张后狗骨变形的研究仍然不足。此次实验结果表明：引入的铁合金纱线直径和数量对支架的回弹率和扩张不均匀性影响较小，相比之下，编织角则是影响这两个参数的关键因素，随着编织角的增大，纱线之间的交叉变得稀疏导致摩擦力减小，支架径向回弹增大，狗骨变形减小。
实际上，根据所需的力学性能，可以选择合适的材料并确定它们的混编参数。当单一材料编织的支架径向支撑力不足时，可以选择在支架中引入机械性能更强的材料(如铁合金)，与原材料纱线混合编织，例如：可生物降解聚合物是目前常用的生物可吸收材料，它们具有良好的生物相容性和适宜的降解周期，但力学性能较弱[41]，将这些材料与具有较强力学性能的材料(如铁合金或镁合金)混编，可以得到具有良好力学性能的支架。
该研究的主要局限在于：仿真分析模型都忽略了支架和压握机之间摩擦的影响，这可能会影响支架的径向变形；缺乏直接的实验验证；未进行降解特性研究。然而，通过与已发布文献中的实验结果进行定性比较，可以推断出此次实验计算结果具有一定的可靠性。在之后的研究中，需进一步对混编支架进行体外腐蚀实验，以评价支架的降解特性。
结论：实验提出并测试了两种力学参数和降解周期不同材料混编的支架，通过将镁合金和铁合金纱线混合编织，系统研究混编支架的设计参数，包括纱线直径、纱线数量、编织角对其机械性能的影响：①在铁合金纱线与镁合金纱线直径相同的情况下，混编支架显示出比单一材料镁合金更强的力学性能，即使铁合金纱线直径减至0.14 mm，混编支架的径向支撑性能仍然优于镁合金支架，通过增加铁合金纱线的数量可以进一步强化这种支撑效果。但是当铁合金直径降至0.10 mm时，混编支架的支撑力无法匹敌直径0.18 mm镁合金纱线的编织支架，此时仅增加纱线数量反而无助于改善支撑性能。②编织角越小，混编支架的径向支撑性能越大。小编织角支架可以补偿由于引入直径较小的铁合金纱线而导致的径向支撑不足。③在混编支架中，铁合金纱线的直径和数量对增大支架的径向回弹率和降低扩张不均匀性的影响相对较小；相反，编织角变大则显著增加了混编支架的径向回弹率，有效降低了扩张不均匀性。④当编织支架的力学性能不满足要求时，在不增加纱线直径的前提下引入机械性能更强的纱线，可以实现对编织支架径向力学性能的精确调整。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

新型混编支架的制备与径向支撑力学行为

Preparation and radial support mechanical behavior of new mixed braided stents

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