مطالعه عددی بررسی عملکرد استنت های آلیاژ حافظه دار نایتینولی در هنگام تماس با شریان محیطی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار، گروه مهندسی مواد و متالورژِی، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران.

چکیده

از روشهای درمانی نسبتا" جدید درحل مشکل گرفتگی رگ، استفاده از استنت گذاری به عنوان یکی از گزینه های اصلی  است. در این بین استنت های از جنس آلیاژحافظه دار نایتینولی با کاهش  دادن  مشکلاتی نظیر قابلیت پیچ خوردن کم، استحکام شعاعی ناکافی و رفتار دینامیکی نامناسب نسبت به سایر استنت ها، برای استفاده در رگ محیطی میتوانند بکار روند. یکی از چالش های اساسی در فرایند استنت گذاری، به عنوان یک راه درمانی جهت گرفتگی رگ، مسایل پیچیده تماس استنت با رگ محیطی است. در این مقاله با استفاده از شبیه سازی به روش اجزاء محدود، با توجه به اهمیت ویژه خواص مکانیکی و کلینیکی استنت، با انتخاب دو نوع استتت از جنس آلیاژهای حافظه دار با خواص متالورژیکی و مکانیکی متفاوت، رفتار آنها با رگ محیطی مورد بررسی قرار گرفت. مدل مادی مورد استفاده جهت توصیف خواص آلیاژ حافظه دار نایتینول بر اساس انرژی آزاد ترمودینامیکی هلمهولتز(مدل آریشیو) بود.با تغییر دمای پایان آستنیتی از 20 تا 30 درجه سانتیگراد، اختلاف تنش های مسطح بالایی و پایینی حدود 40 مگاپاسکال (معادل حدود 12 درصد)  بدست آمد.. با تغییر دمای پایان آستنیتی در حدود 10 درجه سانتیگراد، استنت های آلیاژهای آلیاژ حافظه دار نایتینولی بدلایلی نظیر نیروی مناسب اعمالی به رگ، استحکام مقاومتی شعاعی مطلوب و حلقه هیسترزیس کامل وابسته به رفتار ابرکشسانی بعلاوه تنش کمتر، کرنش بیشتر،کاهش احتمال جراحت و گرفتگی رگ محیطی به میزان15/22  درصد، کمتر بودن سطح تنش لازم جهت ایجاد رفتار ابرکشسانی به میزان82/35 درصد و بالا بودن ضریب اطمینان حدود 3 برابرعملکرد مکانیکی و کلینیکی مناسبی نشان دادند.این مطالعه عددی میتواند یک راه مناسبی برای بررسی رفتار مکانیکی استنت های مورد کاربرد در رگ محیطی با توجه به اثرات خواص متالورژیکی و مکانیکی استنت های از جنس آلیاژهای حافظه دار ارائه نماید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical study of investigation of Nitinol shape memory alloy stents performance during contact with peripheral artery

نویسنده [English]

  • Fardin Nematzadeh
Assistant professor, Department of Materials Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak, Iran.
چکیده [English]

One of the relatively new treatments for vascular occlusion is the use of stenting as one of the main options. In the meantime, Nitinol shape memory alloy stents can be used for peripheral artery owing to reducing problems such as low torsional capability, insufficient radial strength and improper dynamic behavior compared to other stents. One of the major challenges in the stenting process, as a treatment for artery stenosis, is the complexity of stent contact with the peripheral artery. In this paper, using finite element simulation, due to the special importance of mechanical and clinical properties of stents, by selecting two types of stents made of shape memory alloys with different metallurgical and mechanical properties, their behavior with peripheral artery was investigated. Material properties model of Nitinol shape memory alloy was based on Helmholtz free thermodynamic energy (Auricchio model). With varying the Af temperature from 20 to 30 ° C, the difference between the upper and lower plateau stresses was about 35 MPa (equivalent to about 12%). Moreover, with changing the Af temperature about 10 ° C, NiTi shape memory alloy stents have better mechanical and clinical performance due to good applied force to the artery, optimal radial strength, and complete hysteresis loop depending on superelastic behavior, less stress, more strain, reduction of the probability of injury and clogging of the peripheral artery by 22.15%, lower level of stress required to cause super-elastic behavior by 35.82% and high reliability of about 3 times. This numerical study can provide a good way to investigate the mechanical behavior of stents used in peripheral blood artery with respect to the effects of metallurgical and mechanical properties of shape memory alloy stents.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Numerical study
  • stent
  • Nitinol shape memory alloy
  • Contact
  • peripheral artery
1-Muller I., Seelecke S(2004)Shape memory alloy actuators in smart structures: Modeling and simulation. Appl Mech Rev, 57, 1: 23-46.
2- صدرنژاد س خ، توابی اح، قریشی س ; تاثیر خمش برابرکشسانی و مورفولوژی چهارنوع سیم ارتودنسی تجارتی ازجنس نیکل – تیتانیوم مجله مهندسی پزشکی 1383; 1(2) :181-192
3- Arped P(2000)Constitutive Modeling of Shape Memory Alloys Based on a Finite Strain Description, Journal of Periodica Polytechnica SER, 44, 1:115-126
4-Song C., Campbell P. A., et al(2002)Thermal modeling of shape memory alloy fixator for medical application, Smart Mater. Struct. 11: 312-316.
5-Gibbs, J.M., Pena, C.S. and Benenati, J.F. ،،Treating the Diseased Superficial Femoral Artery”, Tech Vasc Interventional Rad, 13, pp. 37-42 (2010).
6-Choi, C.P.G., Herfkens, R.J. and Taylor, C.A. ،،The Effect of Aging on Deformations of the
Superficial Femoral Artery Resulting from Hip and Knee Flexion: Potential Clinical Implications”,
J Vasc Interv Radiol, 21, pp. 195–202 (2010).
7-Duerig T, Tolomeo D and Wholey M (2000) An overview of superelastic stent Design. Min .Invas. Ther and Allied Technol 9: 235–246.
8-Stoeckel D, Pelton A.R and Duerig T (2004) Self-expanding Nitinol stents: material and design considerations. Eur. Radio 14: 292–301.
9-Petrini L, Migliavacca F, Massarotti P, et al. (2005) Computational studies of shape memory alloy behavior in biomedical applications. J. Biomech.Eng 127: 716-725.
10-Wu W, Qi M, Liu X, et al. (2007) Delivery and release of Nitinol stent in carotid artery and their interactions: a finite element analysis. J. Biomech 40: 3034-3040.
11-Kleinstreuer C, Li Z, Basciano C, Seelecke S, et al. (2008) Computational   mechanics of Nitinol stent grafts. J. Biomech 41: 2370–2378.
12- Azaouzi M, Makradi A, Belouettar S. , “Deployment of a self-expanding stent inside an artery: a finite element analysis”. Material Design;41, 410–420(2012).
13-Kumar G. P, Cui F and Danpinid A et al.(2013) Design and finite element-based fatigue prediction of a  New Self-expandable percutaneous mitral valve stent.Comp.Aid. Des 45: 1153–1158
14-Garcia A,Pena EandMartinez M.A (2012)Influence of geometrical parameters on radial force duringself-expanding stent deployment. Application for a variable radial stiffness stent.J. Mech. Behav. Biomed. Mater10:166 –175
15-Nematzadeh F and Sadrnezhaad S.K. (2014) Effects of design parameters and Af temperature on superelastic behavior of Nitinol stent for application in biliary duct: finite element analysis,Mater.Tech.29 (2): 65–75.
16-Nematzadeh F and Sadrnezhaad S.K. (2014) Effects of Crimping on Mechanical Performance of Nitinol Stent Designed for Femoral Artery: Finite Element Analysis. J. Mater. Eng. Perf 22(11): 3228–3236.
17-Amirjani A, Yousefi M and Cheshmaroo M (2014) parametrical optimization of stent design; a   numerical-based approach.Comp.Mater. Sci 90: 210–220  
18- Wang R, Zuo H, Yang YM, et al. (2017) Finite element simulation and optimization of radial resistive force for shape memory alloy vertebral body stent. Journal of Intelligent
Material Systems and Structures 28(15): 2140–2150.
19-Nematzadeh. F (2018) Computational Evaluation of the Impact of Friction Coefficient on Self-Expanding Stent and Peripheral Artery during Contact. Journal of Environmental Friendly Materials 2( 2): 29-35.
20- Zheng Q, Mozafari H, Li Z, et al. (2019) Mechanical characterization of braided self-expanding stents: impact of design parameters. Journal of Mechanics in Medicine and
Biology 19: 1950038.
21- Kumar GP, Commillus AL and Cui F (2019) A finite element simulation method to evaluate the crimpability of curved stents. Medical Engineering & Physics 4: 162–165.
22-Rouhani. F, Fereidoonnezhad. B, and Zakerzadeh A. M. R (2019) A computational study on vascular damage caused by shape memory alloy self-expandable and balloon-expandable stents in a stenosed artery. Journal of Intelligent Material Systems and Structures https://doi.org/10.1177/1045389X19880021.
23-Jayendirana. R, Nourb. B, Ruimia. A (2019) Computational analysis of Nitinol stent-graft for endovascular aortic repair (EVAR) of abdominal aortic aneurysm (AAA): Crimping, sealing and fluid-structure interaction (FSI). International Journal of Cardiology https://doi.org/10.1016/j.ijcard.2019.11.091
24-Lei L, Qi X, Li S, et al. (2019) Finite element analysis for fatigue behavior of a self-expanding Nitinol peripheral stent under physiological biomechanical conditions. Computers in Biology and Medicine 104: 205–214.
25-Zhou. XC, Yang. F, Yan Gong. X, et al. (2019) New Nitinol endovascular stent-graft system for abdominal aortic aneurysm with finite element analysis and experimental verification, Rare Metals, https://doi.org/10.1007/s12598-019-01250.
26-Elsisy. M, Tillman. B, W. Go. C, et al (2020) Comprehensive assessment of mechanical behavior of an extremely long stent graft to control hemorrhage in torso. Journal of Biomedical Materials Research Part B Applied Biomaterials: https://doi.org/10.1002/jbm.b.34557
27-Auricchio, F., Taylor, R., “Shape-memory alloys: modeling and numerical simulations of the finite-strain super elastic behavior”. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 143, 175–194(1996).
28- Lubliner, J., Auricchio, F., “Generalized plasticity and shape memory alloy”. International Journal of Solids and Structures, 33, 991–1003(1996).
29- Gong, X., Duerig, T., “Finite element analysis and experimental evaluation of superelastic Nitinol stents”. In Proceedings of the International Conference on Shape Memory and Superelastic Technology Conference – SMST. pp. 417–423(2003).
30-Chua, S.N.D., Mac Donald, B.J., Hashmi, M.S.J(2004)Finite element simulation of slotted tube (stent) with the presence of plaque and artery by balloon  expansion. J. Mater. Process. Technol.155–56, 1772–1779.
31-Lally, C., Dolan, F., Prendergast, P.J(2005)Cardiovascular stent design and vessel  stresses: a finite element analysis. J. Biomech. 38(8), 1574–1581.
32- Zahedmanesh, H., Lally, C(2009)Determination of the influence of stent strut thickness using the finite element method: implications for vascular injury and in-stent restenosis. Med. Biol. Eng. Comput. 47,385–393.