热处理对NiTi自膨式血管支架形状恢复能力的影响

2021-04-08王艳艳罗健李勇陈洁云汤京龙吕原原周俊蕾

中国医疗器械杂志 2021年2期

王艳艳，罗健，李勇，陈洁云，汤京龙，吕原原，周俊蕾

1 上海微创医疗器械（集团）有限公司，上海市，201203

2 中国食品药品检定研究院，北京市，100050

0 引言

NiTi基形状记忆合金具有优异的记忆特性和超弹性，以及良好的力学性能、生物相容性、耐腐蚀性等，在航空航天和医学等领域得到了广泛应用[1-6]。得益于NiTi材料特有的超弹性能，在高达8%的应力应变水平下仍能维持其特有的弹性形变能力，使得其在医疗器械行业的应用极其广泛。NiTi形状记忆合金的超弹性能主要受合金成分[7]、加工工艺和热处理制度[8-11]等因素的影响。医学上，由镍钛材料制备而成的NiTi自膨式血管支架，在使用中主要依靠其自膨能力支撑在病变血管壁上，故NiTi自膨式血管支架的预期使用尺寸、径向支撑力及形状恢复能力将影响其在临床应用中的表现。此外，NiTi自膨式血管支架在植入人体后受周围环境的影响，会产生一定的腐蚀现象[12]，使得NiTi自膨式血管支架的生物相容性严重降低[13]，从而影响NiTi自膨式血管支架的临床使用，故研究NiTi自膨式血管支架的耐腐蚀能力也尤为关键。本研究以NiTi自膨式血管支架的典型结构为基础，借助不同的NiTi自膨式血管支架性能表征方法，研究不同热处理工艺对NiTi自膨式血管支架形状恢复能力和耐腐蚀性能的影响，得出合适的热处理工艺参数。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本研究所用NiTi自膨式血管支架样品的原材料为：NiTi合金丝材，丝径0.004 5 in(1 in=25.4 mm)，拉伸强度不小于1 300 MPa，化学成分为55.1%～56.5%的镍，其余为钛。

1.2 试验方法

1.2.1 镍钛网管热定型方法

经过两次热处理定型，将NiTi合金丝材制备为NiTi自膨式血管支架的形状，采用田口方法对NiTi自膨式血管支架段的热处理定型温度和热处理时间进行了正交实验。对镍钛合金网管进行热定型处理，然后取出冷却。为保证出炉冷却条件一致可控，NiTi自膨式血管支架取出后，立即采用20～25oC水在室温下水淬[14]。每次热处理时都会放入一定长度的镍钛合金丝进行同炉处理，用于力学性能测试。通过预实验探索，确定热处理定型温度和热处理时间的大致范围，本研究中选用400oC、450oC、500oC和550oC四组温度进行热处理，热处理时间分别为5 min、10 min、15 min、20 min，共进行16组不同条件的热定型处理。

1.2.2 镍钛合金力学性能评价方法

参考标准ASTM F2516-2007进行测试，采用6%定伸长拉伸，拉伸隔距为100 mm。

1.2.3 NiTi自膨式血管支架形状恢复能力评价方法

1.2.3.1Af点温度

采用BFR（弯曲-自由回复）测试方法对NiTi自膨式血管支架Af温度进行测试。将测试试样冷却至完全马氏体相状态，试样变形后加热至完全高温奥氏体相状态。在加热过程中，由于发生马氏体逆相变，试样的形状发生变化，通过测量试样随温度变化的变形位移量，绘成温度—位移曲线，用切线法在温度—直径（或位移）曲线上确定Af，测试条件为：加热速度不超过4 ℃/min；变形量：直径变化不少于50%或者直接通过装载鞘管释放。

1.2.3.2 弹性变形适应性

将NiTi自膨式血管支架系统进行组装后正常释放，测量NiTi自膨式血管支架释放后的关键尺寸，并与标称尺寸进行对比。测试条件：37±2oC的恒温水浴，释放次数：说明书极限要求释放次数。

1.2.3.3 径向支撑力

测试NiTi自膨式血管支架从无载荷状态压缩至压缩状态再恢复至完全无载荷状态过程中的力值变化，测定NiTi自膨式血管支架在名义使用条件下的径向支撑力。测试条件：37±2oC恒温至少2 min，初始孔径大于被测试NiTi自膨式血管支架的自然状态直径，测试压缩最小孔径：NiTi自膨式血管支架的预装载直径或直径减小至少50%；压缩（或扩张）速度：0.1～0.5 mm/s。

1.2.3.4 局部抗挤压

利用特定形状的压头（例如点载荷）对NiTi自膨式血管支架进行挤压，下压一定距离得到对应的下压载荷。测试条件：37±2oC的恒温至少2 min；测试压缩距离：NiTi自膨式血管支架的预装载直径或直径减小至少50%；压缩速度：20～200 mm/min。

1.2.4 耐腐蚀

用电化学工作站对热处理后的试样耐腐蚀性能进行测试。采用标准三电极体系：对电极为铂电极；参比电极为饱和甘汞电极（SCE）。测试过程在37oC的Hank's溶液中进行。

2 试验结果与分析

2.1 热定型效果评价

将镍钛网管分别在16种热处理条件下定型后，出炉水淬，观察其定型效果，发现400oC、450oC、500oC及550oC下分别进行热处理5 min、10 min、15 min、20 min后，镍钛合金网管定型均能达到预期结构。

2.2 镍钛合金力学性能评价

不同热处理条件下得到镍钛合金丝的抗拉强度变化趋势，如图1所示。从图中可以看出经过400oC和450oC热处理温度处理得到的镍钛丝力学性能随着热处理时间的增加而存在明显波动，500oC和550oC热处理温度下得到镍钛丝抗拉强度随时间变化趋势较为稳定，且随着热处理时间的增加，镍钛丝抗拉强度逐渐呈下降趋势。对镍钛丝在500oC和550oC不同热处理条件的应力应变曲线（图2和图3）进行分析，可从应力应变曲线中提取上下平台应力、残余应变、弹性储能、弹性储能效率等指标。从图2和图3中可以看出热处理时间为5 min和10 min的试样都具有明显的上、下平台应力，且残余应变小（均＜0.7%），发生了马氏体相变和逆相变，具有稳定的非线性超弹性，但在10 min～20 min时，其残余应变随着热定型时间的延长出现突增的现象。由此可知热处理温度较高，热处理时间较长会在一定程度上影响镍钛支架的力学性能。

图1 不同热处理工艺镍钛丝抗拉强度Fig.1 Tensile strength of nickel-titanium wire in different heat treatment processes

图2 500 oC应力应变曲线Fig.2 Stress-strain curve at 500 oC

图3 550 oC应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curve at 550 oC

2.3 NiTi自膨式血管支架形状恢复能力评价

2.3.1Af温度

Af温度反映了NiTi自膨式血管支架在外界施加应力去除后，恢复原有状态的能力。试验中得到不同热处理条件下NiTi自膨式血管支架Af温度的变化趋势，如图4所示。从图中可以看出，同一热处理温度条件下，随着热处理时间的增加，Af温度逐渐升高，在同一热处理时间条件下，随着热处理温度的升高，Af温度逐渐降低。相同使用环境下，Af温度过高会对NiTi自膨式血管支架超弹性能力产生影响，Af温度过低会对NiTi自膨式血管支架的疲劳性能产生影响，故为了保证NiTi自膨式血管支架表现出优异的超弹性和疲劳性能，则最佳的热处理条件为较短的热处理时间配合适当热处理温度。结合2.2节对镍钛丝材抗拉强度的结果分析可知：热处理温度为500oC时，NiTi自膨式血管支架的力学性能和Af温度较佳。

2.3.2 弹性变形适应性

不同热处理条件下得到NiTi自膨式血管支架直径变化率趋势见图5。从图中可以看出，400oC条件下，NiTi自膨式血管支架在经过鞘管释放后，其直径有一定损失，在热处理温度为5 min时损失最多，达9.4 %。随着热处理时间的延长，损失逐渐降低，并趋于稳定。这说明400oC，5 min的热处理条件下NiTi自膨式血管支架热处理尚未完全定型，在受到外力作用后其难以恢复到原有形态，但随着热处理时间的增加，这种现象有一定减少，但仍难以避免，最终基本维持在6%左右。进一步观察可以发现，在热处理时间为10 min时存在一定细微拐点，在该处直径损失量仅为5.7%，此后继续延长热处理时间直径损失量会有些许增加，故热处理温度10 min对减少尺寸损失应有一定帮助。热处理温度为450oC时，随着热处理时间的延长，其直径损失趋势与400oC基本一致，呈下降并趋稳的趋势。但相比较400oC而言，其直径损失量最大为6.3%，20 min下的损失仅3.7%，说明随着热处理温度的升高，其对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状保持能力也有明显提升。在热处理温度为500oC时，直径最低损失发生在热处理时间为10 min时仅为0.9%，而继续增加热处理时间，其直径损失有明显的升高。这就说明在热处理温度为500oC时，延长热处理时间并不利于NiTi自膨式血管支架定型。而10 min的热处理时间与400oC，10 min出现的拐点也有一定呼应。在热处理温度为550oC时，NiTi自膨式血管支架的直径损失没有继续呈下降趋势，反而有明显升高，说明过高的热处理温度并不利于NiTi自膨式血管支架的形状保持。故从上述分析可以看出，500oC、10 min的热处理条件对NiTi自膨式血管支架定型与进出鞘后的形状保持有很大帮助。

图4 不同热处理工艺NiTi自膨式血管支架Af 温度Fig.4 Af temperature of NITI self-expanding vascular stents in different heat treatment processes

图5 不同热处理工艺NiTi自膨式血管支架直径变化率Fig.5 Diameter change rate of NITI self-expanding vascular stents in different heat treatment processes

2.3.3 径向支撑力

镍钛支架独特的超弹性和形状记忆性能使其在植入人体血管后自膨胀至一定水平进而有效地支撑血管，并完全包裹血栓[15-17]，所以支架在具有一定支撑能力的同时不损伤血管壁尤为关键[18]。径向支撑力作为支架的关键力学性能，反映出支架对径向外压的抵抗力，其大小决定了支架能否有效贴合血管壁，不损伤血管进而导致血管内膜增生[19]。支架的支撑力与支架尺寸（长短、直径）以及处理工艺、使用环境等有很大关系。图6是不同热处理工艺条件下NiTi自膨式血管支架的径向支撑力测试结果趋势图，从图中可以看出，热处理温度为400oC时NiTi自膨式血管支架径向支撑力最低，该结果与之前分析的Af点和直径损失一致。在相同热处理时间条件下，随着热处理温度的增加，在5～20 min的热处理时间内，其径向支撑力有一定升高趋势。但当热处理温度高于500oC达550oC后，5～10 min中内，550oC热处理温度下径向支撑力又有一定程度降低，而10～20 min内，500oC和550oC径向支撑力基本保持一致。随着热处理温度的升高，径向支撑力并非会持续升高，而是在500oC达到峰值。对于利用支架超弹性，需要其在释放后即刻打开顺应血管状态而言，在较低热处理时间，热处理温度为500oC时表现出来的高径向支撑力对于NiTi自膨式血管支架在临床上有着较好的优势，故500oC的热处理温度应为首选。对于热处理时间而言，低热处理时间可以获得较高的支撑力，故5～10 min应为首选。结合2.2节中抗拉强度和2.3.2节中直径变化率结果综合分析，10 min更为理想，得到500oC，10 min时的径向力测试曲线见图7，在NiTi自膨式血管支架压缩阶段其对应的径向支撑力为4.83 N，NiTi自膨式血管支架在扩张阶段对应力值为6.27 N。

图6 不同热处理工艺NiTi自膨式血管支架径向支撑力曲线Fig.6 Radial force of NiTi self-expanding vascular stents in different heat treatment processes

图7 500 ℃、10 min NiTi自膨式血管支架径向支撑力曲线Fig.7 Radial force curve of NiTi self-expanding vascular stents at 500 oC，10 min

2.3.4 局部抗挤压

局部抗挤压反映出支架在释放到血管后对血管壁的作用力。图8所示为NiTi自膨式血管支架局部抗挤压测试结果图，可以看出，局部抗挤压的测试结果与径向支撑力有一定的相似性。400oC和450oC的热处理温度下局部抗挤压的力值较低，在释放后血管持续脉动条件下，对于在特定部分需要撑起病变、贴合血管而言，会有较高的风险。较高的局部抗挤压力值仍出现在500oC和550oC热处理温度附近，且随着热处理时间的延长，局部抗挤压力值有一定下降趋势，该趋势在500oC表现得更为明显。虽然图8中550oC的局部抗挤压力值更高，但局部抗挤压反映的是释放后单点对血管壁的反馈。如2.3.3节所述，如果径向支撑力不能满足，支架在即刻打开和贴壁有很大风险的前提下，局部抗挤压力值即使较高，也难以起到积极作用。基于上述分析，优选500oC，10 min作为最佳热处理参数。

图8 不同热处理工艺NiTi自膨式血管支架局部抗挤压曲线Fig 8 Local extrusion resistance curve of NITI self-expanding vascular stents in different heat treatment processes

2.4 耐腐蚀

NiTi在植入人体后受周围环境的影响，会产生一定的腐蚀现象[12]，从而导致合金自身的生物相容性严重降低[13]，故研究NiTi合金的耐腐蚀能力变得尤为关键。结合2.3节部分的分析对500oC热处理条件下NiTi自膨式血管支架耐腐蚀进行测试，表1是500oC热处理条件下NiTi自膨式血管支架耐腐蚀研究的测试结果，结果表明热处理时间对耐腐蚀性能会造成一定波动，500oC下，10 min和15 min水平相当，而20 min的测试结果较高，测试结果均高于5 min。20 min耐腐蚀性能较好应与其氧化层厚度有一定关系，随着热处理时间的延长，氧化层厚度逐渐增加，对基体耐腐蚀能力的提升起到积极作用。而500oC，10 min相比较20 min而言，其耐腐蚀水平有一定差异，但仍高于5 min，由此可以看出虽热处理时间短，氧化层厚度较薄，但其耐腐蚀能力并不差。这主要和热处理时间的延长有关。10 min热处理后基材表面氧化层厚度相比较而言略厚，而且，较为充裕的热处理时间，其氧化层会逐渐均匀。500oC，10 min热处理后NiTi自膨式血管支架表面形成了相对均匀的TiO2氧化层薄膜，可明显提高支架耐腐蚀能力。