镍钛形状记忆合金在血管支架的设计应用

张志军，黄君仪

（广东博迈医疗科技股份有限公司，广东 东莞 523000）

0 前言

血管支架广泛应用于临床实践，最常见的有心脑血管、下肢血管、动脉瘤等领域。血管支架一般由不锈钢、钴合金或镍钛合金等金属制成，目前也正在研究由聚合物制成的支架。镍钛形状记忆合金材料，凭借着优异生物相容性、耐蚀性，特别是具有奇特的超弹性和记忆性，被广泛应用至血管介入及植入的医疗器械当中。综合分析镍钛合金血管支架设计和应用，具有重要的现实意义和价值。

1 镍钛合金简述

镍钛合金是镍和钛的一种几乎等原子的合金，具备优异的生物相容性和耐腐蚀性，是常用于制造血管支架植入物的金属材料。与传统的不锈钢和钴合金材料不同，镍钛合金表现出了非常优秀的形状记忆特性和超弹性的特性[1]。镍钛合金的马氏体相和奥氏体相的力学性能是完全不同的，因此相变产生的巨大力学性能的变化对血管支架的临床应用有很大的帮助。相变的起始温度、转变温度对镍钛合金成品的机械性能至关重要，更具体地说，是转变温度和环境温度之间的差异决定了性能。由于人体的环境温度非常稳定，因此镍钛合金植入物的机械性能也很稳定，这也是镍钛合金在医疗应用中性能稳定，应用较为广泛的原因之一[2-3]。

2 镍钛合金类材料的优异性能

2.1 形状记忆优良效应

马氏体相呈温度较低的结构状态，即柔软态且易形变；奥氏体相为温度较高的结构状态，即较高强度且不易形变。马氏体的状态下形变，加热至奥氏体的一种状态后便恢复至原有形状，应变处于8%范围内。

2.2 优良超弹性

奥氏体在较高温度状态下形变。应力撤除后，材料则恢复至原有形状。其弹性实际应变范围处于8%以内，0.5%～8%应变范围当中，应力基本可维持恒定状态。在使用温度影响之下，镍钛合金类材料兼顾着形状的记忆效应及超弹性这两种不同特性。使用温度对镍钛合金总体形状的记忆效应及其超弹性可产生直接影响。相变点以上特定温度范围内，镍钛台金类材料均可维持优良的超弹性。

2.3 优良的耐腐蚀性

镍钛合金类材料可促进TiO2（二氧化钛）相应保护层形成，相较316L 的不锈钢，镍钛合金类材料更具优良耐腐蚀性。镍钛合金与316L 的不锈钢均具备局部溶解镍（Ni）的能力。通过体外实施实验可知，镍钛合金为13.05mg/d 溶解量而人体正常是200～300nag/d 摄入量。相比较于316L 的不锈钢，镍钛合金自修复层面能力相对较强。

2.4 生物力学优良相容特性

应用于介入性医疗器械制造的传统材料，包括钻铬合金、不锈钢钛等，均和人体内部组织的生物力学呈较差相客性状态，且呈相对有限的顺应性。其应变率一般为1%左右范围，伴随外力作用，线性减少或增加趋势明显。人体组织当中，包含肌腱、骨骼、毛发实际应变率均可达10%，应变率和外力部分为非线性的一种关系，所发生形变部分外力消失过后，形变可以相对较小应力予以复原，如此便证明了镍钛合金类材料有着生物力学优良相容特性。

镍钛合金，作为介入性医疗器械制备材料，通常应用至生物体内，可满足于力学性能基本可靠性、生物学及化学可靠性等，能够和生物体有效相容。20 世纪70 年代初期，国内外部分研究者便着手围绕着镍钛合金实施较多医学临床实验是各项研究工作。大量实践研究结果均表明了镍钛合金类材料所具备生物的相容特性十分良好，便将其应用至人工器具人体植入医学领域当中，期间并未有排异反应及炎症反应产生。通过对镍钛合金完全达到人体所植入物质生物学有效测定后发现，其具备无致癌性、无致敏性及细胞毒性等各项优势。因此在血管支架实际设计领域当中也逐步引入镍钛合金这类材料，并开展更多实践研究及设计应用。可以说，介入性医疗器械领域当中镍钛合金类材料所具备优势十分突出，运用发展前景较为乐观。

3 镍钛支架的设计

3.1 工作原理

为了确保在人体内对血管内部支架变形特点可以实现完整模拟，需要准确了解、把握临床当中整个支架设计过程。临床手术实践当中，血管内部支架基本工作原理的详细介绍如下。

（1）首先确认血管病变的狭窄区域，借助手术把一个导管植入人体冠状的动脉内部。

（2）确保外部低温环境下压缩定型相应形状记忆的合金支架维持被约束状态，借助手术植入操作逐渐沿着导管部位植入血管相对狭窄区域，而镍钛合金的支架此时会被压缩至一个相对极细的保护鞘当中。因形状记忆的合金自身柔顺性优良，且可实现任意弯曲。因此其易于经过患者皮穿刺逐步进入至冠状动脉相应狭窄位置。

（3）待支架到达患者血管较为狭窄相应区域过后，便可释放约束。因人体温度比支架实际定型温度较高，故支架会产生自动膨胀现象，逐步恢复至原有预先所设计好相应形状。整个过程当中，支架自身回复力和管壁内部压力因产生相互作用，致使最终维持良好平衡状态，血管此时便可被支架逐步扩张至相对正常尺寸范围，血液流通性得以有效维持。

（4）支架经扩张过后达到相对的平衡状态，血管当中便可取出导管以及保护鞘，原有狭窄血管相应区域则被支架逐渐扩张至正常直径范围。完成手术操作过后，支架则会长期留存于人体内部，对血管起着一定支撑作用。

处于自由状态之下，形状记忆的合金相变发生有四个不同的温度转变，即为Ms、Mf、Ms、Mf，其各自表示着马氏体的相变开始与结束时具体温度、奥氏体相变的开始与结束时具体温度。通常情况下，记忆合金实际转变温度相互间关系为Ms＜As，温度处于Ms＜T＜As该范围当中，马氏体和奥氏体不会有相变发生，其能够共存至此温度范围当中。形状记忆的合金倘若处于高温且奥氏体完全状态之下，所制成的支架和人体血管大小较为相似（直径约4ram）。然后降温处理支架，该支架则开始变形，初期因未有相变发生，以至于此结构关系初期一段属于直线关系，待降温过后逐渐膨胀产生卸载这一过程当中，支架材料则开始有马氏体的相变发生。相变产生整个过程当中，该支架材料便会处在马氏体以及奥氏体共存的一种状态当中，应力应变此时曲线所显示出其结构关系则是因同时存在这两种不同晶体，以至于非线性这种关系变化产生，一直到结束马氏体这种相变现象，材料处于低温应力完全马氏体的一种状态之中，此时支架定型过后，支架直径则是原有所预设的直径约一半，易于植入人体所在病变位置。那么，上述整个过程便属于材料的形状记忆具体产生过程。

支架在逐步植入人体内部过后，人体处于一种高温环境之下，也就是相当于加热处理支架。但初期阶段会存在热滞现象，支架此时仍然处在低温完全马氏体的一种状态当中，且该结构关系此时仍然处于线性变化规律当中，一直到实际温度准备升高至一定范围，材料才开始有奥氏体的相变发生，血管支架原状便开始慢慢恢复。整个卸载的过程当中，这两种不同的晶体则同时在材料当中共存，这与前期加载过程等同，整个结构关系此时为非线性的一种关系。那么，伴随着实际温度持续升高，其材料实际形状则越为接近于原有大小形状。结束加热操作过程后，因存在着部分残余的应变，以至于支架无法完全恢复至原有形状大小状态。卸载整个过程便属于形状记忆一种消退变化过程。材料加热处理过后，所残余的应变则实现完全恢复，以至于材料可以完全达到前期所预设相应形状大小。支架逐步恢复至原有的设定形状，对狭窄血管便可起到良好支撑作用。达到治疗效果。形状记忆的合金（SMA），其自身形状记忆的效应相对独特，形状记忆基本效应能简单描述成处于马氏体相低温状态之下，塑性变形产生，卸去外载状态之下，通过加热处理至特定的温度，所残余的部分应变便会逐渐消失，再恢复至最初原有形状。如果要阻止形状逐步恢复这一过程，SMA 内部便需有大回复应力情况产生，该特点和奥氏体相、马氏体相相互间产生相变以及逆相变关联性大。血管支架便可以此原理为基础，达到一定治疗效果。

3.2 设计步骤

形状记忆的合金材料血管内部支架，其逐步植入至人体内部过后，扩张阶段相对关键，其对人体内支架所起到支撑治疗效果有着直接影响。故在该阶段中，分析支架性能逐渐成为广大研究学者们所关注重点以及焦点问题。优良性能支架，要求有优良生物的相容特性、均匀特性（扩张特性）、支撑力、较小表面积、易弯曲相关优势特点，支架材料以及结构自身特性则对以上特性均有直接影响。故支架设计往往涉及较多学科领域，如材料学、力学、生物学相关学科领域等。

伴随着临床对此类型支架需求持续增加，各种支架设计以及植入技术则由最初支架的植入技术不断发展应用开来。外科医生因缺乏对于工程领域相关知识的了解，故对于支架扩张各项参数通常以一些经验公式以及个人经验来获取。此方法对支架相关材料以及技术的广泛推广应用会产生限制作用。动物身上如果反复用试错方法实施支架扩张相关试验，对支架性能最佳参数实施深入探究，效率不仅低下，且人力物力以及财力浪费严重。以试验方法所获取支架应力应变各项参数则难度相对较大。可以说，经具体试验操作所获取精度化测试数据往往相对有限，一般仅能够获取支架变形的试验结果以及失效区域。

现阶段，非线性的有限元系统软件被广泛运用至生物医学各项器械设计以及模拟当中，属于更具精准性以及高效性一种测试方法。以有限元这种分析方法为基础，可优化设计支架结构、分析支架总体扩张过程、分析植入后相关疲劳寿命。有限元的分析结果能够实现对支架结构部分应力最大值、支架轴向径向的变化量、塑性应变等相关数据精准可靠性的获取。该部分参数均可评价人体内支架力学行为以及疲劳寿命，均属于关键性数据依据或者参考。

支架完整设计过程，即为结构设计相应工程师借助CAD 软件，初始设计支架结构，把支架三维基础模型交给负责结构分析相应工程师，实施有限元的建模和分析，再由结构工程师模拟分析支架扩张整个过程，把所发现问题反馈给负责结构设计的相应专业工程师。而结构设计相应专业工程师便可实时修正并优化处理几何模型，经结构设计和力学分析，实现对支架模型总体优化设计。

3.3 所需考虑要求

3.3.1 直径变化考虑

血管支架在插入血管和在血管输送过程中需保持一个较小直径，而当支架到达靶病变位置时要释放支架至适合血管的较大直径。甚至在某些情况下，需要将支架回收至导管然后重新定位并释放支架。在血管支架设计过程中，设计人员必须考虑小直径下制造的特征，并扩展到预期的最大直径。支架长度的变化和强度需要满足临床的需求，同时需要考虑长时间老化，包装方式对支架形变的影响等因素，以及支架的压握、释放时候的摩擦力对整个支架的定位的影响，支架回收的可行性以及支架对血管的压迫力等因素。

3.3.2 支架的加工因素考虑

支架加工制造过程中一个重要内容是材料去除。支架通常是使用激光加工工艺制造的，该工艺会在切割面附近一定厚度的区域产生大量热量，这些热量可能会破坏原有的金相结构。机械加工完成后，通常需要化学工艺去除对支架的表面加工所产生杂质和残留物，使支架具备一个光滑完整的表面。因此，支架设计过程必须根据加工特征设计制造尺寸，然后从每个表面去除指定数量的材料，以使特征达到某些期望的尺寸目标。

3.3.3 支架的耐腐蚀性能

由于人体内环境是一个非常复杂的电化学环境，要求支架植入后不能有任何腐蚀，因此支架设计过程中应当考虑支架材料的抗腐蚀性能以及加工对材料耐腐蚀性能带来的影响。

3.3.4 支架的表面处理

为了提高镍钛合金支架的表面完整性以及表面质量，需要对血管支架进行表面处理。常见的表面处理有电化学抛光，其能够有效改善表面粗糙度，有效提高支架的光亮性和平整性。此外也有在镍钛合金支架表面沉积TiN/Ti 微纳米膜，以提高其表面力学性能的研究报道。还在镍钛合金支架表面沉积氟化非晶碳膜以改善耐腐蚀性、抗细菌吸附性等特性的报道。

4 镍钛合金在血管支架的应用

4.1 镍钛合金覆膜支架

主要用于治疗胸主和腹主动脉瘤和外伤性血管病，以及中心静脉狭窄病变等。支架主要采用镍钛合金制成支架骨架，以及在支架表面缝制高分子薄膜。镍钛合金作为骨架制成的覆膜支架的支撑强度，以及和血管贴合情况比其他材料较强，因此对于血管瘤的封堵效果更好。目前临床使用的有美国Medronic 的Valiant 覆膜支架和Endurant 覆膜支架，COOK 公司的Zenith 血管覆膜支架，国内的上海微创公司、深圳先健公司也有生产覆膜支架。目前大动脉覆膜支架价格仍然十分昂贵，因此国产化意义重大。

4.2 外周动脉血管支架

主要用于外周动脉血管狭窄。支架采用激光切割镍铁管材制成，属于自膨胀血管支架。支架具有较好的支撑强度，支架贴壁性好，能与血管自然解剖形态贴合，减少了血栓形成的风险。目前临床使用的有美国Cardis 公司SMART 支架，Metronic 的EVERFLEX 支架，BARD 的Lifestent 血管支架等。

4.3 颅内动脉血管支架

颅内血管的解剖结构不同于周围血管和心血管，主要是因为颅内血管中膜平滑肌层和外膜较薄，血管常位于蛛网膜下腔内，为脑脊液所环绕，血管脆性大，支架输送和置放时易于发生破裂。这要求颅内支架柔顺性优于冠脉和外周支架。颅内血管相对弯曲度大，特别是颈内动脉颅内段存在多个生理弯曲，将支架放置于血管弯曲段，容易产生支架贴壁不良现象，从而诱发血栓栓塞和支架内再狭窄。镍钛支架优异的超弹性，在治疗颅内血管疾病方面体现出不可比拟的优势。主要有治疗脑动脉瘤支架，其在植入后辅助弹簧圈释放，防止弹簧圈位移；通过编制工艺制成密网的柱状结构植入脑动脉瘤处改变血流动力学辅助瘤体吸收，也有支撑球状密网结构释放在宽颈动脉瘤内治疗脑动脉瘤。有治疗脑动脉狭窄支架，首先将支架精准释放于脑动脉狭窄处，防止动脉回弹收缩。有治疗脑动脉急性血栓的支架，将支架植入血栓中，将血栓从动脉中快速取出，恢复动脉血流供应。这些治疗方式已取得非常好的循证证据，正大规模普及应用。这些产品主要由美国公司生产供应，国内有同类产品在临床中应用，如微创医疗、博迈医疗等。

5 结语

综上所述，镍钛合金类材料的优异性能集中表现为形状记忆优良效应、优良超弹性。镍钛合金类材料不但兼顾着形状的记忆效应及超弹性这两种不同特性，更有着优良的耐腐蚀性、生物力学优良相容特性，且还具备着无致癌性、无致敏性及细胞毒性等各项优势特点。镍钛合金尤其在血管支架当中应用优势更为突出，经科学合理的优化设计过后，其在血管支架临床上当中有着显著的应用价值。如何充分利用镍钛合金复杂的相变机理以及非线性超弹性力学特性，通过最佳的热处理定型工艺优化支架在人体中的力学性能，更为巧妙地设计出更好的治疗病患的血管支架是研发人员的重点任务。