镍钛合金支架疲劳性能影响因素分析

       我国心脑血管疾病患病率仍处于持续上升阶段，推算我国现患心脑血管疾病人数有3.3亿；尤其是脑血管病，已成为当今社会危害人民健康的“头号杀手”之一，有研究表明，在中国有 30%以上的脑梗塞是由于脑血管狭窄造成。

       医用镍钛合金支架因其具有良好的形状记忆性、超弹性以及生物相容性，在临床治疗中得到较好效果，逐渐成为血管支架的主要原材料之一。同时由于NiTi形状记 忆合金高的加工硬化特性、优异的耐磨性、高强高韧，机加工困难对其加工工艺提出了极大挑战。其中，得益于激光、计算机、微电子等技术的综合发展，采取管材三维激光切割法制造的器件已成为行业主流，可以避免搭接和焊接。如今，经激光切割加工的镍钛合金支架常被制作成自膨式金属支架，用于治疗颅内动脉、颈动脉、下肢动脉等狭窄性病变。

       在镍钛合金支架的临床应用环境中，血管在受到0.0133MPa的脉动压力下将发生约为6%的直径变化，如植入的支架期望能保证10年使用良好的状态，支架将至少经受4亿次血管收舒脉动。由于形状记忆需要满足不同温度下既定形状的交替变化,因此疲劳性能是形状记忆合金使用性能的主要评价标准,形状记忆合金在使用过程中总会遇到不同应力或应变的作用,这种作用维持一定的时间后合金会产生疲劳裂纹导致破坏,支架发生断裂，失去原本的效能，造成血管再狭窄，严重的情况会对血管造成破坏作用，威胁到病人的生命安全，因此,镍钛合金支架的疲劳安全性就显得尤为重要。图1显示了随着应变水平的增加，疲劳寿命典型地急剧下降。因此，在设计镍钛部件时，考虑疲劳性能非常重要。如果需要完整的 6% 弹性，设计者需要尽量减短使用周期；而使用 0.5% 或更少的应变，镍钛材料会拥有数百万次循环的疲劳寿命。

图1 镍钛合金在不同应变下的疲劳断裂循环次数

       支架遭到破坏的原因主要是材料问题、受力不均匀以及材料发生腐蚀等。目前可以通过有限元分析及加速疲劳测试来判断实验材料的疲劳性能。有限元分析能够从理论上推断支架结构的安全性；而加速疲劳测试可以对实际实验材料进行测试，根据 YY 0808-2010《血管支架体外脉动耐久性标准测试方法》行业标准，疲劳测试共有两种方法：压力控制法及直径控制法。

       因此我们从管材材料及其加工工艺、材料的后处理及支架的结构设计三个方面对疲劳性能产生的影响进行探讨。

       1.管材材料及其加工工艺

       ASTM F2633 是用于医疗器械和外科植入物的锻造无缝镍钛形状记忆合金管的标准规范，管材通常在退火状态下出售。为了制造管材，首先将铸锭锻造并轧制成棒材，然后进行枪钻，在棒材的中心钻一个孔，形成“空心”或初始管材形状。然后使用各种热加工、冷加工和退火工艺步骤将中空件加工成所需的管尺寸。

       在镍钛合金管生产过程的铸造工艺中，一些残余元素会形成非金属夹杂物，通常会充当裂纹源头或促进裂纹拓展，从而影响最终部件的疲劳性能。夹杂物的尺寸和总量都对高周疲劳寿命有很大影响，采用先进的制造工艺可以得到高纯度镍钛合金，由于其夹杂物尺寸较小且数量较少，因而具有较好的疲劳抗性，经过107次疲劳测试后仍然能够保持较好的变形能力。

       镍钛合金器件在临床应用过程中经常承受不同频率的循环载荷作用，反复的马氏体相变导致其超弹性的退化，即发生功能性疲劳；同时，反复的马氏体相变及累积的相变诱发塑性导致材料内部的损伤不断累积，最终导致结构疲劳失效，即发生结构性疲劳。

       晶粒尺寸调控作为微结构调控中极具效果的手段之一，更是被众多学者所关注。如何调控和利用不同晶粒的优势制备新型NiTi合金以满足功能和可靠性的新要求具有重要的现实意义。通过创新的温控梯度热处理工艺，可以开发出沿轴向晶粒尺寸梯度超弹性NiTi合金，对于较低挠度下弯曲疲劳寿命提高显著。

       形状记忆合金功能特性的循环疲劳问题是制约其长期临床应用条件下功能应用的共性关键问题，就超弹性而言，循环外场作用下应力诱发奥氏体塑性变形会导致形状记忆合金不可逆应变的累积，进而影响其超弹性的循环稳定性。因此，提高形状记忆合金的变形抗力是改善其超弹循疲劳特性的有效途径，通过合理的成分设计可以引入合适体积分数的第二相（Ti2Cu共格析出相、Ni3Ti化合物相），进而显著提升镍钛合金超弹响应的循环稳定性，提高疲劳寿命。

       镍钛器械表面加工工艺有研磨加工、扭制加工、电解抛光等方式。传统横穿纹理的研磨加工过程会产生许多加工缺陷，器械的表面缺陷会增加使用期间的应力水平，充当裂纹萌生的位点。而电解抛光可以去除金属外层的不规则区，使表面光滑平整无污染，同时可消除表面的残余应力。另一种降低加工缺陷的方式是扭制加工，加工过程中可以优化晶体结构并消除微裂隙的形成。扭制加工和电解抛光可减少器械表面的加工缺陷,减缓裂纹的产生与扩展,提高器械的抗疲劳性能。

       2. 材料的后处理

       通过表面处理、热处理等技术可以抑制毒性元素（镍）的释放，增强材料的抗腐蚀性能，同时可以改善镍钛合金的疲劳性能。

       表面处理包含表面涂层法及表面氧化法。表面涂层法是在金属表面构造一层保护层，一方面防止金属发生腐蚀，另一方面可以防止有害物渗出。使用等离子喷涂的方法在镍钛合金的表层形成一层厚度为400µm的钽涂层，可以显著提高镍钛合金的抗腐蚀性能，同时不会发生电偶腐蚀现象。

       表面氧化法是通过热氧化、等离子体注入等方法在镍合金表面形成生物兼容性较好的二氧化钛保护层，对镍层起到保护作用。将二氧化钛保护层通过氮进行 改性，可以在镍钛合金表面形成TiN和Ni3Ti膜，使得支架表面的粗糙度从16 nm提升到44～51 nm，而增加材料的粗糙度，会显著降低它们的摩擦系数，进而提升支架的抗疲劳断裂性和抗扭转折断性。

       而热处理主要也是在镍合金表面生成氧化膜作为保护层。以Ni-Ti自膨式血管支架的典型结构为对象，在温度为500℃，时间为10 min 的热处理条件下可获得Ni-Ti自膨式血管支架最佳形状恢复能力，同时表面生成氧化层，提高了耐腐蚀能力。

       3. 支架的结构设计

       通过有限元分析软件的模型建立，可以把镍钛合金材料的实体模拟成软件中的模型，这样的模型和实体材料并无差异，合金支架的物理学性能和外观都可以通过软件进行分析与设计，美国的FDA要求将该方法要作为镍钛合金材料开发过程中的必要手段，从而保证支架 的安全有效。

       通过有限元分析软件对血管支架进行分析，分析结果表明支架的最大等效应力是在支架的支撑部和连接部相交的部位，这说明支架在进行设计的时候要对应力集中的部分进行重点考虑，在危险位置的应力分布要趋于均匀，才能提高支架的疲劳性能。

       利用ANSYS有限元软件来模拟求解从支架扩张到支架植入后血管内血流动力学分析的整个过程，在此基础上对支架的疲劳寿命进行评估，表明支架的力学性能分析应该考虑将植入和服役的一体化过程，将固体结构和流体两个物理场间进行耦合，才能确保模拟模型的可靠性。

       针对镍钛合金支架植入下肢动脉后可能产生的疲劳失效问题进行模拟。支架的疲劳强度与外载荷的性质有关，承受较高载荷及拉-弯和拉-弯-扭多级载荷时，疲劳寿命受到很大影响，如图2所示；支架变形时圆弧连接筋和圆弧内侧附近更容易产生应力集中，从而导致疲劳失效；在产生初始裂纹后，压缩和拉-弯载荷对支架的疲劳寿命有较大损害。

图2 支架多级载荷下的弹性应变分布云图

       结合以上影响因素来看，提升镍钛合金支架的疲劳性能可以从以下三方面入手：

       （1）就材料本身及其加工工艺来说，采用先进制造工艺，降低非金属夹杂物的含量及尺寸，提高产品晶粒度，引入合适体积分数的第二相，采用电解抛光等优异的表面加工工艺，都可以提升材料的疲劳性能；

       （2）对材料进行后处理，表面生成涂层、表面施加氧化以及热处理都可以提高耐腐蚀性，进而在临床应用环境中提高疲劳性能；

       （3）在支架的结构设计中，重点考虑应力集中的部分，避免多级复合载荷，对具体临床应用场景进行多物理场耦合模拟，可以有效提升疲劳寿命。