血管支架内壁面圆形凹坑微织构对血流动力学影响仿真.pdf

第 28 卷 第 2 期2023 年 4 月哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.28No.2Apr.2023 血管支架内壁面圆形凹坑微织构对血流动力学影响仿真黄 珂1,杨发展1,潘明章2,郑凯瑞1,赵国栋1,卞东超1(1.青岛理工大学 机械与汽车工程学院,青岛 266250;2.广西大学 机械工程学院,南宁 530004)摘 要:为降低血管支架置入后出现再狭窄现象的概率,改善支架内血液的流动特性,本文基于仿生学原理,在网状/管状血管支架内表面设计直径为 60 m,深度分别为30 m、50 m 和70 m 的圆形凹坑织构。采用有限元仿真分析方法探究不同支架结构和深度的微织构对支架内血液流动速度和血管内压力的影响。结果表明,与管状支架相比,网状支架内壁微织构的存在能够大幅提高支架内血液流动速度,增大血液的压力,尤其是当深度为30 m和 50 m 时更为明显。此外,相同条件下,网状血管支架内血压的最大变化幅度小于管状支架内血压的最大变化幅度,对血管壁造成的损伤更小。关键词:圆形凹坑微织构;血管支架;血流动力学;血流速度;血压DOI:10.15938/j.jhust.2023.02.007中图分类号:TH16文献标志码:A文章编号:1007-2683(2023)02-0059-08Simulation of the Effect of Circular Pit Micro Textureon Hemodynamics on the Inner Wall of Vascular StentHUANG Ke1,YANG Fazhan1,PAN Mingzhang2,ZHENG Kairui1,ZHAO Guodong1,BIAN Dongchao1(1.School of Mechanical and Automotive Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266520,China;2.School of Mechanical and Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)Abstract:Stent interventional surgery has become the first choice for the treatment of cardiovascular and cerebrovascular diseases,but the high rate of restenosis after stent implantation makes the long-term treatment effect unsatisfactory.In order to reduce theprobability of restenosis after stent implantation and to improve the blood flow characteristics in the stent,based on the principle ofbionics,the inner surface of the reticular/tubular vascular stent is designed on round pit texture with the diameter of 60 m and thedepth of 30 m,50 m and 70 m,respectively.The finite element simulation analysis method is used to explore the influence ofdifferent stent structures and depths of micro texture on the blood flow velocity and intravascular pressure in the stent.The results showthat,compared with tubular stents,the presence of micro texture on the inner wall of the reticular stent can greatly increase the bloodflow velocity in the stent and increase the blood pressure,especially when the depth is 30 m and 50 m.In addition,under the sameconditions,the maximum change range of blood pressure in the reticular stent is smaller than the maximum change range of bloodpressure in the tubular stent,which causes less damage to the blood vessel wall.Keywords:pit micro texture;vascular stent;hemodynamics;blood flow rate;blood pressure 收稿日期:2021-11-23基金项目:山东省自然科学基金(ZR2018PEE011,ZR2019MEE059).作者简介:黄 珂(1996),女,硕士研究生;潘明章(1982),男,博士,副教授,博士研究生导师.通信作者:杨发展(1981),男,博士,教授,博士研究生导师,E-mail:.0 引 言近年来,随着人们饮食结构和生活方式的改变,心脑血管疾病的发病率越来越高。常见心脑血管疾病的治疗方法主要包括手术治疗、药物治疗和介入治疗等1。而手术治疗创伤较大,风险高,药物治疗不良反应多,治疗周期长,效果不明显。相比之下,介入治疗具有操作安全、手术创伤小、成功率高和并发症少等优点,目前已成为治疗心脑血管疾病的首选2。据统计,血管支架置入后出现再狭窄的概率为 15%-20%,在一定程度上影响了支架置入后的治疗效果3-4。大量研究结果表明,造成血管再狭窄的原因包括不良生活习惯、血管内膜过度增生、炎症反应、血流动力学参数改变等5-8。其中,血流动力学参数中的血流速度和血管内压力的改变是导致支架内出现再狭窄的主要影响因素9-11。当支架置入血管后,血液中的大分子成分容易黏附在支架材料的内表面导致血流变慢,一旦血液流速变慢就会有可能诱发新的血栓形成,增加再狭窄的风险。血液动力来自血管的压强-血压,血压的变化会对血管壁造成一定的冲击影响。若人体血压出现剧烈变化,会导致血管壁承受较大的冲击,从而增大动脉粥样硬化的风险。因此,通过一定的手段分析研究支架植入后血流动力学参数的变化规律,以对其进行调控以适应人体的正常生理需要可在一定程度上减缓和降低发生再狭窄的概率。仿生微织构目前被证实具有良好的减阻、抗黏附效果,同时在血液相容性方面的效果也不错。杨立军等12在电刀表面加工出一种优化的鲨鱼皮微结构,通过进行切割猪肝实验表明仿鲨鱼皮微织构能够有效降低切割组织过程中的摩擦力,减小组织的黏附概率。Xiang 等13在钛合金表面制备了微/纳米相容 TiO2薄膜,研究发现与传统的 TiO2薄膜相比,具有微结构的 TiO2薄膜有更好的血液相容性。吴勃等14利用飞秒激光在 316 L 不锈钢表面加工出了微织构,研究发现带有微织构的不锈钢表面血液相容性显著优于光滑表面。基于上述学者的研究,本文将微织构应用到网状和管状血管支架设计中,利用有限元方法研究不同尺寸的圆形凹坑微织构的存在对血液流动速度和管壁内血液压力的影响,以期获得最优的织构参数,为优化支架结构设计、研制出适于人体需求的血管支架提供新方法与设计依据。1 实验方法与过程采用 Solidworks 软件建立轴向长度为10 mm、外径为 2 mm、管壁厚度为 0.1 mm 的网状支架三维模型,在其内部设计圆形凹坑微织构直径 60 m,深度分别设计为30 m、50 m 和70 m。与网状支架相结合的血管轴向长度设计为 20 mm、厚度为 0.5 mm。设计的网状微织构支架结构如图 1(a)所示,所设计的管状支架轴向长度为 20 mm、外径为 2 mm、厚度为 0.1 mm,忽略血管厚度的影响。管状支架中织构参数和排布方式同网状支架织构一致,管状支架的结构图如图 1(b)所示。图 1 支架模型图Fig.1 stent model diagram利用 Workbench 中的 Fluent 模块,建立血液流动模型。首先在 Geometry 模块中导入模型,采用Fill 命令创建流体域,即血液模型如图 2 所示。在血液模型中,创建血液的入口端和出口端,并将其分别命名为 inlet 和 outlet,创建壁面并将其命名为wall。在 Mesh 模块中对流体域进行网格划分,整体模型采用四面体网格划分方式,并对支架处的血液模型进行网格细化。将血管假设为等壁厚组织,不考虑弯曲部分和重力影响。为了提高仿真效率,忽略血管内斑块等其他因素的影响和支架嵌入血管内壁的部分。将血液视为不可压缩的牛顿流体,血液的各项参数为:流06哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报 第 28 卷图 2 不同类型织构支架下的血液模型Fig.2Blood model under different typesof texture stents动速度 v=0.35 m/s,密度 =1 060 kg/m3,运动黏性系数 =0.004 Pas15。血液的流动状态由雷诺数决定,其表达式为 Re=d17。经计算可得血液的雷诺数 Re 远小于2 300,所以为层流状态。边界条件的确定参考文18-20,设置如下:1)血液的入口速度为 0.35 m/s;2)出口压力为默认值;3)壁面无滑移;4)采用 SIMPLE 算法。采用瞬态求解方式,上述参数设置完成后进行初始化并启动迭代计算,待收敛后对结果进行分析。2 实验结果与分析2.1 对血液流动速度的影响血液流动速度是造成血管狭窄的重要原因,流速过慢,容易使血液中的血细胞、脂类等物质在血管壁面沉积,久而久之造成血管堵塞,使得血管出现再狭窄21。因此探究微织构血管支架对血流速度的影响具有重要意义。仿真结果收敛后,取血液流域的中间平面进行速度分析,获得不同支架的血液流动速度云图。图3 为采用不同网状支架时的血液流速图。图 3 不同网状支架内的血液流动速度云图Fig.3 Nephogram of blood flow velocityin different reticular stents16第 2 期黄 珂等:血管支架内壁面圆形凹坑微织构对血流动力学影响仿真从速度云图 3 中可以看出,越靠近轴心处血液速度流动速度越快,沿着轴心向两侧血管壁面方向的血液流动速度逐渐减小。这是因为在靠近血管壁面的地方,由于支架的存在形成了血流停滞区,使得血液流速降低。图 3(a)中的放大区域为血液流动速度矢量图,由图可知,在靠近血管支架的地方,血液流线紊乱,出现波浪状的摆动,而轴心处的血液呈现出互不干扰的平滑直线运动状态,血液流动平稳,为明显的层流状态。此外,从图 3(a)还可以看出,在网状无织构支架内,血液经过充分流动后,沿着血液流动方向,边界层的厚度逐渐增大,其最大流速为0.555 2 m/s。流速是影响边界层厚度的主要因素,当边界层附近的流动速度降低时,边界层厚度会随之增加22。当采用直径60 m、深度30 m 的圆形凹坑织构支架时,血液的流动速度介于 0 0.555 9 m/s 之间,最大血液流速略大于采用无织构血管支架时的最大流速0.555 2 m/s,这说明深度为 30 m 的圆形凹坑微织构的存在降低了血管中的粘连阻力,在一定程度上提高了血液的流动速度。当圆形凹坑织构深度为 50 m 时,血液最大流速为0.555 4 m/s,与无织构支架最大血液流速几乎相同。而当织构深度增加到 70 m 时,血液的最大流速为0.554 2 m/s,较无织构血管支架的最大流速略有下降,下降幅度为 0.18%。图4 为采用网状无织构支架和深度分别为30 m和70 m 的网状微织构支架时与支架相接触部分的血液流动速度矢量图。由图 4(a)可见,在靠近血管支架处,血液流线图中出现了空白,说明该处的血液分布并不均匀。当采用直径 60 m、深度 30 m 的圆形凹坑织构支架时,支架处的血液流动矢量图如图 4(b)所示,由图可见,少量血液进入到微织构的凹坑中,矢量图中的空白面积有所减小,这说明微织构的存在使得血液在血管内的分布更加充分和均匀,从而提高了血液流动速度。当采用直径 60 m、深度 70 m 的圆形凹坑织构支架时,支架内的血液流动矢量图如图 4(c)所示,由图可见,虽然微织构的存在使得血液分布较无织构支架时更加均匀,但与深度为30 m 的微织构支架下的血液流速矢量图相比,该速度下矢量图中空白面积相对更多,这说明该处的血液流动状态要差于深度为30 m 微织构支架下的血液流动状态。从流入凹坑内的血液的放大图中可以看出,进入到深度为 70 m 的微织构血流量要大于进入到深度为 30 m 的微织构的血流量,这说明更多的血液聚集在深度为70 m 的微织构底部,血液在织构底部沉积,使得该处的血液在微织构内产生了停滞现象,阻碍了流体的运动,因此深度为70 m 的织构支架的血液流速有所降低。图 4 血液流速矢量图Fig.4 Vector diagram of blood flow velocity通过观察管状支架下的血液流动速度云图(图5),发现该类型支架下的血液流速低于网状支架下的血液流速。这是因为与网状血管支架相比,管状支架与血液的接触面积较大,血液流动过程中与血管壁产生的摩擦阻力更大,使得流动过程中更容易出现血液停滞区。采用管状无织构支架时,血液的最大流动速度为0.480 3 m/s。当在支架内表面加工出微织构后,血液的流动速度均有不同程度的提26哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报 第 28 卷高,当微织构的深度为 70um 时,血管中心处的血液流速最大,为0.487 6 m/s。图 5 不同管状支架内的血液流动速度云图Fig.5 Nephogram of blood flow velocityin different tubular stents综上所述,网状支架与血液的接触面积小,因而产生的阻力小,在改善血流速度方面的效果优于管状支架,其中,深度为30 m 的圆形凹坑网状织构支架在改善血液流动情况方面具有最佳的效果。2.2 对血管支架内压力分布的影响研究表明当压力发生剧烈变化时,会使得血液不断冲击血管壁造成血管内膜增生从而导致血管堵塞狭窄23。本文选取血液流域中心平面进行压力分析,得到血液压力分布云图如图 6 和图 7 所示。图 6 不同网状支架下的血液压力分布云图Fig.6 Nephogram of blood pressure distributionunder different reticular stents图 6 为不同类型的网状血管支架内的血液内压力分布云图,从图 6(a)中可以看出,采用无织构支架时,血液压力在-0.744 6 505.4 Pa 之间变化,最大压力出现在入口处,压力沿着血液流动方向逐渐减小,呈现出递减趋势,在支架末端压力开始出现负值。当血液在直径为 60 m、深度为 30 m 的圆形凹坑织构支架内流动时,表面织构对血液压力的分布产生明显的影响作用,压力的分布产生了较大变化,其范围为-0.564 7 507.8 Pa,数值变化范围和最大压力值较无织构支架有所增大,但增长幅度不明显,增幅为 0.47%,没有出现压力突变的情况,血管内压力分布均匀且变化稳定,不会对血管壁造成较大的冲击。当血液在带有深度为50 m 的微织36第 2 期黄 珂等:血管支架内壁面圆形凹坑微织构对血流动力学影响仿真构支架内流动时,血液的压力在-0.552 506.9 Pa之间变化,最大压力同样出现在入口处,压力数值略大于无织构支架。采用深度为70 m 的圆形凹坑织构支架时,血液的压力在-0.809 6 499.5 Pa 之间变化,压力最大数值较无织构支架有所减小,但减小幅度并不显著。三种微织构支架的压力变化趋势与轴心处血液流动速度变化趋势基本一致,相对于无织构支架,深度为 30 m 和 50 m 的微织构支架均可以增大血管压力,但增长幅度不大,不会因为压力突变而对血管壁造成损伤,导致出现再狭窄现象,同时适当增大血压量值有利于提高血液的流动速度。血液在支架末端的压力相对于流腔的生理压力为负值,根据伯努利方程24-25:p+1/2v2+gh=C式中:p 为流体域中某点的压力;v 为流体某一点的流动速度;为流体密度;g 为重力加速度;h 为该点所在高度;C 为常量。在流体流动过程中,C 保持不变,即总能量守恒。当流体的重力 g、密度、高度 h均保持不变时,随着流体的流动速度 v 增大,压力 p会随之减小。血液在血管内流动过程中,沿着轴线方向上速度逐渐增大,压力会逐渐减小,在支架末端处减小为负值。“负压效应”会使得血液流动的动力不足,产生血液回流,引发供血障碍,若在脑部血管中出现严重的供血障碍,极易导致脑卒中。采用深度为30 m 和50 m 的微织构支架能够在一定程度上减小“负压”效应,保证血液流动的动力。综合考虑入口处压力分布和压力的增长幅度,深度为30 m的织构支架对改善压力分布的作用效果最优。管状支架下的血液压力云图如图 7 所示。由图可见,采用管状无织构支架时,血液压力的变化范围为-1.652 663.9 Pa,血液入口处的压力为全流域最大值。当微织构深度为 30 m 时,压力的变化范围为-0.951 8 597.4 Pa。当织构深度为 50 m时,压力的变化范围为-1.470 599.3 Pa,数值大小和变化范围较无织构支架均有所减小。当织构深度为70 m 时,压力的变化范围为-1.030 588.5 Pa。在管状支架内,无织构支架的压力变化幅度最大,为663.53 Pa,在深度为 70 m 的织构支架内,压力的变化幅度最小,为 589.53 Pa。在管状支架上设计的不同参数的微织构均能够减小支架末端处的“负压”效应,除了数值外,压力的变化规律全部为顺压力梯度,没有显著不同。压力变化幅度越大,对血管壁的冲击越大,使得血管壁内膜出现增生的概率越大,进而增加再狭窄的风险。因此,在管状血管支架下,使得压力变化幅度最小的、深度为70 m 的微织构具有最优效果。图 7 不同管状支架下的血液压力分布云图Fig.7 Cloud diagram of blood pressure distributionunder different tubular stents3 结 论本文在网状和管状血管支架内表面设计出具有不同深度的圆形凹坑微织构,假设血管为等壁厚组织,不考虑弯曲部分,为了提高仿真效率,忽略血管内斑块等其他因素的影响,并将血液视为不可压缩的牛顿流体。利用有限元分析模拟血液在血管中的流动状态,探究不同织构参数对血液流动特性的影46哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报 第 28 卷响,得出结论如下:1)网状血管支架改善血液流动状态的效果要优于管状血管支架。采用网状织构支架时的最大血液流速为0.555 9 m/s,大于采用管状支架时的最大血液流速0.487 6 m/s。网状血管支架下的血压的最大变化幅度为 508.37 Pa,小于管状支架下的血压最大变化幅度 663.53 Pa。2)不同的微织构参数对血流速度的影响效果不同。在入口速度相同的情况下,深度为 30 m 和50 m 的网状织构支架能够提高血液流动速度,而深度为70 m 的网状织构支架会在一定程度上阻碍血液的流动速度。具有不同深度的管状织构支架均能够提高血液流动速度。3)综合考虑对血液流动速度和血液压力的影响,在不同类型的支架中,深度为30 m 的网状织构支架具有最优的作用效果。其血流速度较无织构支架 增 长 0.13%,最 大 压 力 较 无 织 构 支 架 增长 0.47%。综上,合理的微织构能够改善血管中血液的流动特性,在一定程度上改善血液的流动速度、分布状态和压强,减小支架置入后再狭窄的风险。参 考 文 献:1 幸世峰,张颖,张岳,等.三种治疗方式对早发性冠心病三支病变病人长期生存影响的差异性J.安徽医药,2020,24(9):1740.XIN Shifeng,ZHANG Ying,ZHANG Yue,et al.TheDifference of Three Treatment Methods on the Long-termSurvival of Patients with Three-vessel Disease of Early-on-set Coronary Heart DiseaseJ.Anhui Medical and Phar-maceutical Journal,2020,24(9):1740.2 魏云波.可降解聚合物血管支架结构设计与力学性能测试研究D.大连:大连理工大学,2020.3 彭玮,罗海彦.症状性颅内动脉粥样硬化性狭窄血管支架置入术后再狭窄的研究进展J.中国当代医药,2020,27(7):21.PENG Wei,LUO Haiyan.Research Progress of In-stentRestenosis after Stent Implantation in Symp-tomatic Ath-erosclerotic Intracranial StenosisJ.China Modern Med-icine,2020,27(7):21.4 王洋洋,吴红枚,甄文强,等.生物可降解血管支架研究 进 展 J.中 国 医 疗 器 械 杂 志,2021,45(4):410.WANG Yangyang,WU Hongmei,ZHEN Wenqiang,etal.Research Progress of Biodegradable Vascular StentJ.Chinese Journal of Medical Instrumentation,2021,45(4):410.5 宋彦君.冠心病患者 PCI 术后支架内再狭窄的风险因素探究及防治措施 J.中国医学创新,2020,17(20):31.SONG Yanjun.Risk Factors of In-stent Restenosis 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