有限元分析WE43镁合金可降解支架的力学性能丨疲劳分析 结构优化

心血管疾病（CVDs）是全球范围内导致死亡的主要原因之一，尤其是冠心病。随着生活方式和环境的变化，其发病率持续上升。目前，经皮冠状动脉介入治疗（PCI）是治疗冠心病的重要手段之一，而血管支架在其中扮演着关键角色。传统的金属支架（如裸金属支架和药物洗脱支架）虽能有效支撑血管，但其永久存留体内会引发一系列长期并发症，如支架内再狭窄、慢性炎症、晚期血栓形成等，并且可能干扰医学影像诊断。

为克服这些局限性，可降解支架（Bioresorbable Stents）应运而生。这类支架在完成血管支撑使命后逐渐降解，避免了长期存留带来的风险。早期可降解支架多采用聚合物材料（如聚乳酸PLLA），但其机械性能较差，易发生断裂、回缩和炎症反应，限制了其临床应用。

镁合金因其良好的生物相容性、可降解性和优于聚合物的机械性能，成为可降解支架的理想材料。WE43镁合金尤其受到关注，其在动物实验中表现出良好的生物相容性和降解可控性。然而，镁合金支架在植入和服务过程中仍面临应力集中、疲劳寿命和径向支撑力不足等问题，亟需通过结构设计和数值模拟进行优化。

1. 支架结构设计：本研究设计了一种基于WE43镁合金的可降解支架，其结构特点包括

正弦波形支撑环：提供均匀的径向支撑；弧形连接筋：连接相邻支撑环，增强整体性；微凸台结构：在弯曲处增加壁厚，缓解应力集中。支架外径为3 mm，壁厚160 μm，长度15 mm，符合ISO 25539-2:2020和YY/T 0693-2008标准。

2. 有限元建模与材料属性

软件工具：SolidWorks（建模）、HyperMesh（网格划分）、Abaqus/Standard（仿真分析）；

材料模型：WE43镁合金，密度1840 kg/m³，弹性模量45 GPa，泊松比0.35，屈服强度199 MPa，极限抗拉强度370 MPa；

网格类型：支架采用六面体单元C3D8R，共111,744个单元，尺寸40 μm；

本构关系：通过真实应力-应变曲线（由工程曲线转换而来）更准确描述材料行为。

3. 仿真过程与载荷设置

仿真包括四个主要过程，压握与扩张，压握：从3 mm压缩至2 mm；扩张：从2 mm扩张至4 mm；模拟球囊扩张过程，评估塑性变形和应力分布。

径向支撑力测试：使用12块刚性平板对支架进行径向压缩至2 mm，记录支撑力-直径曲线，计算径向支撑强度。

柔顺性分析：在支架两端施加弯矩，计算弯曲刚度，分析不同弯曲角度（0°–12°）下的应力分布。

疲劳性能分析：使用Goodman准则评估疲劳寿命，模拟血压循环载荷（舒张压80 mmHg，收缩压160 mmHg）；计算动态安全系数。

在不同压力下的应力分布

1. 压握与扩张性能：最大等效应力  压握过程中为238.1 MPa，扩张过程中为243.5 MPa，均低于WE43的极限抗拉强度（370 MPa），说明支架在植入过程中不会发生断裂，微凸台结构有效缓解了应力集中，提高了结构可靠性。

2. 径向支撑性能：最大径向支撑力 1.56 N径向支撑强度780 mN/mm，相较于现有先进镁合金支架，分别提升了47%和 13%，表现出优异的支撑能力。

3. 柔顺性分析：弯曲刚度 4.31 N·mm²优于商用Absorb GT 1聚合物支架（4.20 N·mm²），相较于某些美国专利结构，柔顺性提升9.76倍，更利于在复杂血管中输送，建议弯曲角度不超过10°，以避免塑性变形影响性能。

4. 疲劳性能分析：在0.0107 MPa和0.0203 MPa血压载荷下，最大等效应力均低于370 MPa，Goodman图中所有节点应力均低于极限应力线，满足疲劳寿命要求，动态安全系数初始状态为1.03，扩张后为1.02，均大于1，表明支架在循环载荷下不会发生疲劳破坏。

5. 总体结论：本研究通过有限元分析全面评估了WE43镁合金可降解支架的力学性能。结果表明：支架在压握、扩张、径向支撑、弯曲和疲劳载荷下均表现出良好的机械性能；微凸台结构有效降低了应力集中，提高了支架的可靠性和使用寿命；支架在径向支撑力和柔顺性方面显著优于现有报道结构，具备良好的临床应用潜力。

尽管本研究在仿真层面取得了积极成果，但仍需进一步开展以下工作：

1. 实验验证：通过体外实验和动物模型验证仿真结果的准确性，尤其是疲劳性能和降解行为；

2. 降解模型集成：将降解动力学与力学性能耦合分析，预测支架在体内的长期行为；

3. 个性化设计：结合患者特异性血管几何和血流动力学，优化支架结构；

4. 多材料复合：探索镁合金与聚合物或药物涂层的复合结构，以进一步提升生物相容性和治疗功能；

5. 临床转化推动：与医疗器械企业合作，推进支架的标准化生产和临床试验。

公司简介

上海复蓝医疗科技有限公司（Fulan Medical Technology），公司创始团队来自复旦大学生物医学工程研究所。专注于利用先进的计算机建模仿真与人工智能技术，提供心脑血管疾病的辅助诊断、外科及介入手术的计算机模拟及分析、血管植介入器械安全性与有效性评价等解决方案。

平台介绍

①  主动脉及大血管疾病介入治疗数智化仿真平台

②  脑血管疾病介入治疗数智化计算机手术模拟及分析平台

③  心脏瓣膜外科和介入置换计算机手术模拟及分析平台

④  患者特异性数字孪生心脏

产品审评有限元分析报告

人工心脏瓣膜：外科生物瓣、外科高分子瓣、介入生物瓣、介入高分子瓣、二尖瓣三尖瓣夹合器、封堵器等

支架：颅内动脉瘤介入栓塞装置、密网支架、覆膜支架、取栓支架、外周支架、可降解支架等

有源：植入式心脏辅助装置、心脏起搏器、TCAR、DBS、PFA、RFA、PNS等

其他：肿瘤、消化等其他外科介入器械

计算机手术模拟及分析

TAVR、TEVAR、TMVR、TEER等计算机手术模拟及分析

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TCAR、RFA、PFA等计算机手术模拟及分析

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