血管内支架植入术因其微创性及可降低短期发病率和死亡率，已逐渐成为外周动脉疾病（PAD）的常用治疗方法。超弹性镍钛合金的机械性能在外周动脉支架的爆炸式增长中发挥了重要作用，现代支架表现出合理的弹性和耐用性。然而，在股浅动脉和腘动脉，即使是最新一代的镍钛诺支架，其临床效果仍有很大的改进空间。原发性动脉疾病的再狭窄和恶化往往会导致症状复发和再次干预，从而增加发病率和医疗支出。被认为与股腘动脉（FPA）支架失效有关的主要因素之一是下肢独特且高度动态的机械环境。临床和实验数据表明，FPA 在肢体屈曲时会发生显著变形。据推测，由于腿部和大腿的重复运动与动脉和支架之间的机械不匹配相结合，导致动脉和支架的机械损伤，因此许多现有支架设计无法适应这些变形可能是导致重建失败的原因之一。在本文中，我们将明确股浅动脉的支架植入所面临的挑战，并提供一个机械角度来分析，然后讨论目前的研究方向，这些方向有望更好地理解镍钛材料、支架设计的特点，并改进对股浅动脉生物力学环境的表征，从而促进为外周动脉疾病患者开发更好的支架。
一、股腘动脉阻塞性疾病
01.股腘动脉粥样硬化性疾病
股腘动脉（FPA）的慢性阻塞是外周动脉疾病（PAD）的常见原因。FPA 为下肢提供大部分动脉血供，起始于腹股沟韧带下方，作为股总动脉，然后在大腿近端分支成股浅动脉 (SFA) 和股深动脉。SFA 在内收肌裂孔（大收肌和股骨之间的腱通道）水平处过渡到腘动脉 (PA)。PA 穿过膝关节，然后分叉进入胫前动脉和胫腓干。在肢体屈曲期间，FPA 经历广泛的机械变形，扭曲、弯曲和压缩严重程度集中于内收肌裂孔周围区域和膝关节下方 PA 段。这些变形被认为在 FPA 壁损伤和血流紊乱中发挥着重要作用，而 FPA 是下肢闭塞性疾病发生和进展的关键因素。
多达 90% 的 PAD 病例归因于动脉粥样硬化，伴有或不伴有钙化。血栓栓塞现象也经常遇到，但最常见的是与急性下肢缺血有关，通常采用血栓清除和全身抗凝治疗。其他疾病也可能导致下肢动脉阻塞，例如动脉瘤或先天性卡压。动脉粥样硬化是动脉壁的一种慢性炎症性疾病，会经历多个阶段。它始于内皮损伤引发的病变，内皮损伤可由多种因素触发，包括机械应力、血流动力学紊乱、与危险因素相关的代谢紊乱以及不同的免疫或炎症过程，例如氧化应激升高。下一阶段涉及形成非临床显着的内膜增厚，可进展为血流动力学显着的纤维增生性粥样斑块，并最终发展为晚期闭塞性病变。晚期病变侵入动脉壁更深层，并具有复杂的结构，通常由胶原蛋白、弹性蛋白、平滑肌细胞、巨噬细胞、泡沫细胞和淋巴细胞组成的坚硬外层，以及可能含有脂质、坏死细胞或钙沉积物的核心区域。
与冠心病和脑血管疾病一样，外周动脉疾病（PAD）病变可以在很长一段时间内发展而不产生症状。随着病变的发展，动脉经常通过增加直径和壁厚来重塑，以平衡血流动力学剪切力和壁内应力，直到达到临界阈值并且直径无法进一步扩大。一旦出现这种最大代偿性扩张，额外的斑块生长会导致血管腔逐渐变窄。此时，通常开始出现临床症状，最常见的患者主诉是行走时下肢肌肉疼痛或无力，这种情况称为间歇性跛行。PAD 的严重程度和进展在很大程度上受全身性风险因素的影响，其中最主要的是吸烟和糖尿病。吸烟会通过对心血管系统的多因素影响（包括对内皮细胞的直接损伤）导致急性肢体缺血和动脉粥样硬化（PAD）更快地恶化。糖尿病患者在发病时往往病情更严重，包括更有可能出现缺血性溃疡或坏疽的慢性肢体缺血（CLTI）。糖尿病患者经常遭受严重的周向血管钙化和整个腹股沟下血管树的硬化，并伴有膝下小血管局部的闭塞性病变。
对于 CLTI 患者来说，早期干预至关重要，因为在没有血管重建的情况下，截肢的风险很高。尽管相当多的间歇性跛行的 PAD 患者可以通过保守的药物疗法和锻炼计划改善症状，但许多患者的病情最终会逐渐恶化。随着症状的恶化，多达 7% 的患者会要求进行某种干预，包括血管内治疗或通过手术搭桥进行血管再通。血管内介入治疗通常是首选的治疗方法，因为与搭桥手术相比，它具有微创性和更短的恢复时间。在血管内治疗过程中，通常是通过股总动脉或较少见的肱动脉或足动脉的接入点远程进入病变部位，然后进行球囊血管成形术，使斑块断裂并扩张动脉。较短的病变可仅通过血管成形术进行治疗，但在涉及复杂病变和限制血流的动脉夹层的情况下，会部署永久性金属网管（称为支架）以帮助维持动脉管腔通畅。或者，有时也会进行从动脉内壁刮除斑块的斑块旋切术，其据称具有减少斑块和减少支架置入的需求的优点。
血管内治疗和外科搭桥手术之间的选择通常涉及复杂的决策，其中包括动脉解剖结构、患者危险因素以及患者和治疗医生的个人偏好。重建方法的结果和持久性的一个关键因素是手术的适应症，与具有间歇性跛行适应症的患者相比，患有 CLTI 的病情更严重的患者表现出较差的重建通畅性和预期寿命。对于因间歇性跛行而需要重建的健康患者，预期寿命可能比 CLTI 患者长得多，因此无论选择何种血运重建方法都需要更高的耐用性。
02.股腘动脉支架的临床挑战
在美国，PAD 的血管内手术数量持续增加，这是因为 PAD 患者人数增加，而且他们更喜欢恢复时间更短的微创手术。与开放手术相比，FPA 支架的通畅率仍然低于其他大多数动脉部位。与其他手术（如球囊血管成形术或开放式搭桥手术）相比，早期对第一代镍钛诺支架的研究并不能确定 PAD 支架植入术是否能改善临床疗效。最近，许多临床试验（大部分由行业支持）都声称基于 FPA 支架的血管内修复术的耐久性和通畅性得到了改善，12 个月的通畅率在 43% 到 90% 之间（表 1）。尽管近年来在纤维增殖性粥样硬化斑块支架植入术方面有所改进，但现有数据显示，搭桥手术仍然在再狭窄率和免重复干预方面具有更好的效果，并且在免截肢方面取得类似的结果。此外，对于支架内再狭窄（ISR）的内科介入治疗仍然不够理想，显示出高复发率。
表 1：显示不同 FPA 支架 12 个月通畅率的临床试验结果。
a涂有紫杉醇的药物洗脱支架。
03.FPA 环境有何独特之处？
针对不同动脉床设计的支架需要适应不同程度的变形，而在 FPA 中，这些变形是体内最严重的变形（图 1）。旨在量化弯曲肢体的复杂机械环境的研究可大致分为报告 FPA 基线变形的研究和由于肢体弯曲导致的支架 FPA 变形的研究。
图 1：人体尸体模型中肢体弯曲时 FPA 的变形。插入物显示内收肌裂孔处 (a) 和膝盖以下腘动脉段 (b) 处的动脉严重变形。插图 (c) 中提供了用于量化肢体屈曲时 FPA 变形的动脉内标记。
04.基线FPA变形
利用七具人体尸体和二维血管造影，对下肢的直立和弯曲形态进行成像，模仿行走、坐着和爬楼梯活动。测量了动脉弯曲和缩短，结果显示膝盖以下 PA 远端的 FPA 变形比更近端的 SFA 更严重。
使用三维成像技术测量肢体屈曲导致的FPA扭转。使用动脉侧支作为标记，跟踪FPA从仰卧位到胎儿位的变形情况，结果显示FPA扭转60° ± 34°，轴向压缩13% ± 11%。然而，扭转数值并未按动脉长度进行归一化处理。几年后，同一研究小组发布了经过归一化的数值，其中扭转角度为1.3 ± 0.8 - 2.1 ± 1.3°/cm，较高的数值出现在远端部位。
最近，随着动脉内标记物方法的引入，人们对屈曲肢体中动脉机械变形的真实严重程度的认识迈出了新的一步。定制设计的镍钛诺标记物（图 1c）在不干扰周围组织的情况下通过血管内方法植入人体尸体的肢体，用于测量肢体屈曲时动脉的轴向压缩、弯曲和扭转。标记对 FPA 变形没有明显影响，但却能进行精确和可重复的测量。与动脉侧分支相比，使用标记物的优点是分支通常很小并且难以使用临床 CT 或 MR 来识别，这使得 FPA 的大段具有未知的变形。此外，侧枝将动脉与周围组织拴在一起，从而在这些锚定点处产生较小的变形。最后，使用尸体可以测量纵向预拉伸，而如果不切除动脉，则无法量化这种预拉伸。标记法的这些优势使得我们可以评估原位预拉伸结构和无应力切除结构的轴向压缩，两者之间存在明显差异。
使用动脉内标记物测量的FPA变形比之前报道的结果大2至7倍。由于肢体屈曲，FPA的轴向压缩为9-25%，弯曲半径为8-27毫米；在不同姿势下，FPA的扭转角度为8-26°/cm。此外，FPA的变形被描述为沿动脉长度高度非均匀分布，在内收肌裂隙处和膝关节 PA 下方达到较高值--这是 FPA 病变的两个典型位置。
05.支架引起的 FPA 变形
虽然支架设计对支架与动脉的相互作用影响深远，但人们对支架设计对肢体屈曲引起的 FPA 变形的影响了解不足。利用人体尸体、二维血管造影和部署在 FPA 不同区段的镍钛诺支架对支架引起的 FPA 变形进行了研究。报告的 FPA 轴向压缩率为 3-11%，弯曲角度为 4°-54°，具体取决于沿动脉长度方向的位置，远端观察到的数值更高。
采用相同的2D血管造影技术评估活体中支架状FPA的变形情况，最近研究人员也使用了相同的技术对每个安装支架的肢体进行了两次2D扫描。报道称，支架状FPA段的轴向压缩范围为3.1-8.5%，在支架的远端达到了9.3%。在支架段内部，弯曲半径根据位置的不同在135-22毫米之间变化，许多支架在弯曲的肢体中会发生皱曲。使用3D CTA测量了患者体内安装支架的FPA变形，并获得了类似的结果。最后，报告称，在支架存在的情况下，FPA的轴向压缩和曲率会发生变化，变化程度取决于支架的特性。没有发现任何研究探究带有支架的FPA的扭转情况。
使用灌注人体尸体模型、七种市售 FPA 支架设计（AbsolutePro、Supera、Innova、Zilver、SmartControl、SmartFlex）和动脉内标记法对支架 FPA 的轴向和径向压缩、弯曲和扭转进行了评估。数据显示，不同的装置设计在适应肢体屈曲引起的变形能力上存在明显差异，但没有一种装置能够适应所有变形模式，而不会限制或加剧支架段内外的基线变形。
06.FPA支架断裂
FPA 的恶劣机械环境和每次肢体弯曲时发生的循环变形可能会导致支架支柱因疲劳而断裂。虽然大多数 FPA 再狭窄患者的支架没有断裂，但 PAD 支架断裂通常被认为与 PAD 修复通畅性差有关，因为它们在 FPA 中发生的频率高于其他动脉位置。研究人员评估了接受 SFA 支架置入术的 121 名患者的肢体，发现 37% 的病例（45 条腿）发生断裂。报告说，支架断裂的发生与支架的长度和植入的支架数量有关，在较长和重叠的装置中观察到更多的断裂。植入后 18 个月内支架断裂率为 4.1%。一些研究人员将支架的损坏程度分为五类，从单根支柱断裂到多根支柱断裂，导致支架两部分之间出现间隙。据报道，与轻微断裂的支架相比，较高类别的断裂导致的再狭窄和完全闭塞率更高。除再狭窄外，FPA 支架断裂还可能导致血栓形成、穿孔和支架移位，增加患者的发病率，甚至可能导致死亡。研究人员报告称，使用较新的第二代支架后，支架断裂率有所下降；但即使使用这些较新的设备，仍可观察到断裂。
支架断裂通常不被认为是导致支架内 FPA 再狭窄的罪魁祸首，但它很可能反映了 FPA 在支架处及其周围发生的严重、反复变形，这很可能是导致重建失败的原因之一。弯曲肢体的严酷机械环境能够使金属支架断裂，还会因 FPA 壁与设备的相互作用而导致动脉损伤，特别是如果该设备的设计不能适应肢体弯曲引起的变形的严重程度。
虽然许多生物因素也可能导致 FPA 支架置入术临床效果不佳，但机械支架特性和屈曲肢体的严酷生物力学环境似乎在影响装置与动脉相互作用方面发挥着重要作用。详细了解支架特性对于开发性能良好且能够适应下肢动脉独特的生物力学环境的装置至关重要。我们将从描述镍钛合金的独特特征开始，对这些特性进行综述。
二、镍钛合金
目前，所有的 FPA 支架都是金属制造的，并永久性地留在动脉中，但用于下肢的新型生物可吸收聚合物支架的开发是一个正在积极研究的领域。所有金属制造的支架主要分为两大类--通常由不锈钢或钴铬合金制成的球囊扩张型支架，以及由超弹性形状记忆合金（通常为镍钛合金）制成的自扩张型支架。由于在肢体屈曲过程中，FPA经历了严重的变形，因此通常不使用可充气扩张的支架进行PAD修复，因为它们可能会发生不可逆的塑性变形（图2）。因此，大多数PAD支架都采用自扩张的形状记忆镍钛合金制成，它可以在释放出导管后无需球囊的辅助下自行膨胀到预设形状，并且最重要的是，在肢体屈曲期间发生变形后能够恢复到这个形状。虽然一些镍钛合金支架也被涂覆了药物，例如紫杉醇，但本文重点将放在支架设计和性能的机械方面，而非生物方面。
图 2：球囊扩张型 iCAST 支架在 FPA 中的不可逆变形。
01.镍钛合金和镍钛合金支架简史
镍钛合金是由William J. Buehler于1959年在美国马里兰州白橡Naval Ordnance实验室工作时发现的。Nitinol一词是由镍（Ni）、钛（ti）和Naval Ordnance Laboratory（nol）组合而来的。镍钛合金的独特性能是 Buehler 在实验室中试验几种二元合金时偶然发现的。当将热镍钛合金棒和冷镍钛合金棒扔到混凝土地板上以粗略确定阻尼特性时，他注意到热镍钛诺棒和冷镍钛合金棒之间的声音存在差异。这些意想不到的发现激发了他的好奇心，促使他在今后的研究中发现镍钛诺具有出色的抗疲劳性和其他独特的性能。在向同事展示这种合金的长条时，意外地发现了这种合金的形状记忆效应，因为折叠的镍钛诺长条被加热并拉伸到原来的形状。经过多年的深入研究，1969 年，镍钛诺首次成功应用于 F-14 喷气式飞机液压流体管路的管路耦合器中。由于这种合金从未获得专利，其在设备中的应用开始扩展到其他领域，如眼镜架、消防喷淋系统以及其他军事和民用应用。20 世纪 70 年代末，镍钛诺首次应用于医疗领域，用于正畸桥丝。1989 年，美国食品和药物管理局（FDA）批准在肩部整形手术中使用镍钛诺固定器。Nitinol在心血管领域的第一个应用是用于血液滤器以捕捉血栓。而第一个自展性Nitinol支架于1983年在犬的主动脉和FPA上进行开发和使用。有趣的是，支架这个词源于英国牙医查尔斯·史丹特（Charles Stent），他于1807年出生，该词指的是支持面部皮肤移植的结构。
02.镍钛合金的结构和热性能
镍钛诺的独特性能源于其晶体结构，在机械或热事件作用下可发生特定的相变。镍钛诺有两种具有不同特征和特性的主要相。其中一种是奥氏体相，也称为母相，具有简单的立方 B2 结构（Pm3m 空间群），其中原子呈体心排列。另一个相是马氏体相，也称为子相，具有单斜的B19'结构（P21/m空间群），类似于鱼骨状图案。这两种结构都显示在图3的左侧面板中。诱导这两个相之间转变的一种方法是通过热流。马氏体相存在于较低温度下，但当镍钛诺加热到一定温度以上时，马氏体相会转变为奥氏体母相，该温度根据镍钛诺成分和制造条件而变化。具体而言，奥氏体开始温度(As)和奥氏体结束温度(Af)分别是镍钛诺在加热时开始和完成向奥氏体相转变的温度。从马氏体到奥氏体的转变伴随着小幅（< 1%）体积减少，导致负膨胀。马氏体开始温度 (Ms) 和马氏体结束温度 (Mf) 分别对应于冷却时镍钛合金开始和完成向马氏体相转变的温度。从马氏体到奥氏体的转变发生的温度高于从奥氏体到马氏体的转变的温度。因此，热转变曲线在热转变周期中表现出特征滞后（图 3，左图）。在冷加工和时效镍钛诺合金中，奥氏体相和马氏体相之间的热转变也可能通过第三种菱形相或 R 相发生。R相的晶胞具有对称性，它表现为立方奥氏体晶胞的变形，该晶胞已沿图4所示的方向对角线拉长。
图 3：镍钛合金的热相变。左：奥氏体和马氏体转变的温度滞后，右：元素成分对 Ms 转变温度的影响。
图 4：温度对镍钛合金机械特性的影响。右侧插图示意性地表示 R 相，说明晶胞沿该方向伸长。
影响镍钛合金相变温度的因素有很多，包括热定形温度、时间和制造过程中的冷却速率。同样重要的是镍钛诺的化学成分，即镍与钛的精确比例（图 3，右图），以及合金的制造、加工和冷加工成最终原始形式的方式。当时效温度在400-550℃范围内升高时，奥氏体转变温度会降低，而时效时间和冷却速率对奥氏体转变的影响较小。由于奥氏体转变温度可根据人体温度进行调整，因此支架输送过程可受益于相变驱动的超弹性和形状记忆特性，而且镍钛诺支架从导管中释放出来后，无需球囊的辅助，即可膨胀到设定的形状。
03.机械性能
镍钛诺的机械性能受其与温度相关的微观结构的影响。当镍钛诺处于奥氏体形态时，其超弹性机械性能仅存在于 Af 和 Md（马氏体形成）温度之间。与通常的金属合金在1%以下具有可恢复的可变形性不同，Nitinol在超弹性温度范围（Af < T < Md）内的弹性恢复可以达到10%的应变。然而，这种变形与金属和合金的传统线性弹性响应有显著的区别。奥氏体和马氏体相之间应力引起的相变在镍钛诺的超弹性中发挥着关键作用。如图 5 所示，超弹性镍钛合金以高度非线性的方式变形，具有四个不同的阶段和显着的滞后。变形的第一阶段为线性弹性，模量相对较高，由奥氏体微结构中化学键的变形引起。在约 1% 应变时，第二个类似屈服的变形阶段开始，并持续到 7% 应变，同时应力略有增加。然而，与塑性屈服不同，其中晶胞相对于彼此发生不可逆滑移，这种变形是由于从奥氏体向双晶马氏体结构的相变引起的（在双晶晶体结构中，部分母相重新定向为镜像配置，这是由于剪切应力引起的）。变形的第三阶段是马氏体相的弹性解孪，在此期间镜状孪晶结构被拉伸到单一方向。该变形阶段的特点是模量增加。弹性变形之后是第四阶段，这是马氏体相的塑性变形直至失效。尽管由于滞后作用，卸载期间的力小于加载期间的力，但前三个阶段的变形是完全可恢复的。与滞后相关的支架独特的生物力学特性在“机械特性”中进行了讨论。
图 5：超弹性镍钛诺合金的变形行为以及相应的微观结构。
限定超弹性范围的奥氏体最终温度 (Af) 和马氏体形成温度 (Md) 取决于制造过程中的材料成分和热处理。如果温度高于Md，则奥氏体到马氏体转变的临界应力或能量高于位错的临界应力或能量，并且镍钛诺在第一阶段之后遵循传统的类合金塑性变形。虽然镍钛诺在 Ms 和 Af 温度之间可以完全奥氏体化（取决于其热历史），但它无法在机械加载循环期间恢复大的变形。然而，一旦镍钛诺经历高于Af温度的热循环，这种类塑性变形就可以完全恢复，这被称为形状记忆特性。此外，低于 Af 温度，应力诱发的奥氏体到马氏体的转变可以通过 R 相（A → R → M）发生，在变形阶段 I 中表现为一个狭窄的平台（图 4）。A → R 转变的临界应力随着温度的升高而增加，并最终在温度达到 Af 时超过 A → M 转变的临界应力。在应力-应变曲线上，这显示为 R 相平台的向上迁移，直到 A → R 和 R → M 合并为单个 A → M 转变。
不同的制造技术会影响镍钛诺的微观结构，并可用于根据特定应用调整机械性能。热加工或冷加工是此类技术中的一种，可增加位错密度，从而阻碍材料的重新定向，增加马氏体转变的临界应力。热加工和冷加工都会导致沿<110>和<111>晶胞方向形成晶体织构，这进一步增加了相变应力。
影响镍钛合金力学性能的另一个重要制造参数是热处理温度。该温度的升高会导致 Ni4Ti3 沉淀物的生长，这会以不同的方式影响镍钛合金的机械性能。例如，大型沉淀物的形成已被证明可以降低马氏体相变的应力，而小型的相干沉淀物则通过有效地阻止位错运动来增加Nitinol的硬化效果。同样，沉淀物及其发展也会因为合金基体中Ni原子的耗尽而影响Nitinol的热性能。特别是，较长的热处理时间会导致含有更高Ni含量（Ni3Ti2和Ni3Ti）的沉淀物的形成，从而显著增加Af相变温度。然而，当时效温度达到600°C时，沉淀物会溶解，这使得沉淀物的生长效应发生了逆转。
例如，大型沉淀物的形成已被证明可以降低马氏体相变的应力，而小型的相干沉淀物则通过有效地阻止位错运动来增加镍钛合金的硬化效果。同样，沉淀物及其发展也会因为合金基体中Ni原子的耗尽而影响镍钛合金的热性能。特别是，较长的热处理时间会导致含有更高Ni含量（Ni3Ti2和Ni3Ti）的沉淀物的形成，从而显著增加Af相变温度。然而，当时效温度达到600℃时，沉淀物会溶解，这使得沉淀物的生长效应发生了逆转。
04.生物相容性
生物相容性是指材料在特定应用中能够与宿主产生适当的反应的能力。金属合金生物相容性的主要问题通常与单个化学元素的耐腐蚀性和毒性有关。纯钛由于能够形成稳定的氧化层而具有生物相容性。相反，已知高浓度的纯镍会引起镍敏感性患者的全身毒性、细胞损伤和免疫反应。先前的体外和体内研究表明，稳定的氧化钛（TiO2）和氧化镍（NiO和Ni2O3）的形成可以防止镍离子暴露和扩散到细胞中，而表面处理过的Nitinol只释放少量镍进入血液，通常不超过平均膳食摄入量的10%。然而，最近的研究表明，某些表面处理方法所形成的氧化层可能没有之前认为的那么稳定。特别是，发现氧化层厚度（来自各种表面处理方法）和镍离子释放之间存在很强的正相关性。此外，研究还显示，镍钛合金设备在部署和使用过程中通常会经历严重的机械变形，这可能进一步增加镍钛合金中镍的释放量，因为氧化层缺乏超弹性机械性能，在大应变下会产生裂纹。
三、镍钛合金支架
01.制造方法
由于镍钛诺的超弹性特性，使用传统的切削或加工工具制造复杂的镍钛诺器件可能很困难，并且会导致严重的工具磨损。此外，镍钛诺支架通常具有复杂的图案，很难切割成最终的配置。为了克服模具的挑战，镍钛合金支架是通过对管材进行激光加工或通过编织或编织单根丝来制造的。虽然丝状支架是历史上最早使用的镍钛诺支架类型，但其缺点是壁厚增加，丝状物交叉会加速磨损。激光加工的支架可以是预切割的，也可以是预扩张的。预切割支架由直径小于最终产品的管子制成。最终预切割支架的形状和性能是通过多次重复的机械扩展和热处理工艺形成的。这导致与预先扩展的支架相比，支架的微观结构和性能具有不均匀性，因为扩展会在支架元件中引起不均匀的应力状态。
预扩张支架是用激光从具有最终支架直径的管子上切割下来的，然后对设备进行一次热处理。热处理是镍钛合金支架制造中最重要的步骤之一，因为它决定了支架的最终形状和性能。镍钛合金的形状设定是通过将样品变形为所需的几何形状并将其加热至高温（大约 450–550 ℃）来实现的。镍钛合金支架在张开的形态下进行形状设置，以便在释放时（即在部署过程中从导管中释放）能够恢复到初始形态（即自我扩展）。为了实现自我扩展，支架的Af（相变温度）必须低于人体温度，这样当支架在动脉中部署时，它处于奥氏体超弹性形态。因此，了解精确的加热和冷却方法对于控制最终产品的结构和性能十分必要。对于含有50.7%镍的镍钛合金丝材料，最佳的形状设置温度为450-500℃，加热时间应大于10分钟，但不超过60分钟，以保持最大的变形恢复能力并实现高超弹性。
除了激光切割和形状设置外，镍钛合金支架通常需要进一步的加工处理，以去除多余的合金、修整边缘、消除激光切割引起的受热区域，并通过形成稳定的氧化层来增强生物相容性。此外，电解抛光常用于给支架提供高光泽度，并通过去除微小缺陷来改善其疲劳寿命。
02.几何形状
镍钛合金支架在长度、直径、支柱厚度和设计方面差异很大。FPA 中使用的支架直径通常在 5 至 8 毫米之间，并且与动脉直径相比通常稍大一些。在某些情况下，例如对于编织支架，可能不建议尺寸过大，因为当编织支架延伸超过其标称长度时，径向压缩的阻力会显着降低。支架长度可能会有很大差异，通常在 20-250 毫米范围内，具体取决于要覆盖的病变长度。在不同的制造商中，目前存在着各种不同的支架厚度、图案（图6）和形状设置条件，这导致了各种各样的物理和机械特性。尽管如此，所有的镍钛合金支架都具有与镍钛合金合金固有的非线性和超弹性形状记忆特性相似的特点。
图 6：一些常用 PAD 支架的设计模式。
03.机械性能
镍钛合金的机械性能为支架提供了独特的生物力学特性。由于形状记忆效应，镍钛合金支架可以“自扩展”，即它们在不使用膨胀球囊的情况下展开。此外，镍钛合金的机械滞后行为导致了一种称为“偏刚度”的独特机械特性，这意味着从卷曲位置恢复的支架对压缩的抵抗力比对扩张的抵抗力要强得多，如图 7 所示。由于传统的 z 形镍钛合金支架通常尺寸过大，以解决血管成形术后管腔过度拉伸的问题，因此“偏刚度”对于减少向外的力很有用。然而，由于其持续的作用，过大的镍钛合金支架引起的向外力仍存在潜在的损伤血管壁的风险。为了最小化这种损害，在设计镍钛合金支架时需要考虑下面描述的几个关键特征。
图 7：自膨胀镍钛合金支架的生物力学性能。
径向阻力（RRF）和慢性向外力（COF）是决定血管壁与支架之间力平衡的两个主要特性。RRF 是衡量径向压缩支架所需的力的大小，而 COF 则是衡量支架在展开构型时向外投射的径向力的大小。RRF和COF都是由镍钛合金独特的力滞后决定的，它们是最常研究的两种支架特性。
环向强度是另一个重要的设计参数，它定义了支架可以承载的最大环向负载。圆柱形支架中的环向应力可以使用薄壁压力容器方程进行估算：
其中 ρ 是压力，d 是直径，t 是壁厚。当环向应力超过材料强度时，支架可能会发生故障。环向强度与装置的横截面积成正比，而横截面积与支架支柱的宽度和厚度成线性比例。有时使用环向力 Fd 或每单位长度环向力 fd 代替环向应力来表征作用在支架上的负荷：
其中 L 是支架长度。
环向刚度定义为每次直径变化所产生的环向力：
环向刚度取决于支架的几何形状，与支柱厚度呈线性关系，与支柱宽度呈立方关系，与支柱长度呈立方反比关系：
除了环向刚度外，支架设计中还使用了挤压刚度。它被定义为当支架被压缩在两个平行板之间时支架对变形或屈曲的抵抗力。在挤压负载下，支架支柱会受到平面外弯曲。与环向刚度不同，挤压刚度与支架宽度呈线性关系，但与支架厚度呈立方关系。支架设计的其他重要特征包括弯曲刚度、轴向拉伸刚度和压缩刚度，它们也是支柱几何形状、互连器数量和互连器之间角度的函数。
四、提高机械性能的设计考虑因素
机械支架的性能取决于支架的固有特性以及设备所处的生物力学环境。当两者得到明确定义后，计算模型就可以用来模拟复杂的体内加载条件，并优化设备性能。
01.支架的台式机械特性
改进支架设计的一个重要步骤是更好地了解支架的机械特性。虽然对未加工镍钛诺的一般特性已有深入研究，但不同制造商设备中使用的加工镍钛诺的确切机械特性却是专有的。
镍钛合金支架的机械测试有两种根本不同的类型。第一个由支架制造商用来满足 FDA 的要求以获得设备批准。该测试的结果通常是专有的，但 FDA 为制造商提供了全面的非约束性指南，包括用于机械和疲劳测试以及支架计算建模的具体测试方法和标准。许多 ASTM 标准都引用了常见的测试方法，例如 ASTM F2477，其中列出了脉动耐久性测试的指南。ASTM 标准对于给定的测试参数和特定设备非常具体，但并不包含所有内容。例如，镍钛合金支架的轴向压缩、扭转和弯曲测试目前尚未被 ASTM 标准化。
进行第二种类型的机械测试是为了比较几种设备在不同机械负载条件下的性能或对支架性能进行逆向工程。这些测试的结果可以在行业和学术研究团体发表的文献中找到。通常使用多种测试模式，包括径向压缩、抗压碎、弯曲、轴向拉伸和压缩以及扭转，所有测试模式都在准静态或循环动态载荷下完成（图 8）。
图 8：用于支架机械特性分析的典型测试装置示意图。
02.径向压缩
径向压缩试验用于评估镍钛诺支架的 RRF 和 COF。可将支架作为独立结构进行测试，或更经常地将其置于顺应性（通常为硅胶）管内，以模拟超大尺寸。
测试通常在37℃下进行，用于测量对径向压缩的设备包括负载传感器、用于包裹支架的薄型聚酯膜环、滚筒和基准柱。图8展示了最典型的设计，尽管也有其他可替代的设置被描述过。测量了使用高强度聚酯薄膜环绕的直径为8mm的镍钛合金支架的径向抗压力（RRF）。结果以单位长度所需的力来表示，这个力是将支架直径减小到6mm所需的。Symphony支架的平均径向阻力为137 N/m，Memotherm支架为127 N/m，而Smart支架为165 N/m。
比较了目前使用的 12 种 FPA 镍钛合金支架（Absolute Pro、Supera、Lifestent、Innova、Zilver、Smart Control、Smart Flex、EverFlex、Viabahn、Tigris、Misago 和 Complete SE）的径向阻力。支架采用改良的 V 形夹具装置进行压缩，该装置同时从四个侧面施加压缩。当压缩至初始横截面积的 90% 时，Supera 支架的径向刚度最高，为 11,261 N/m。除 Supera 支架外，Complete SE、LifeStent 和 Viabahn 支架均表现出较高的径向刚度 (> 700 N/m)，而 Smart Control 和 Zilver 支架的径向刚度相对较弱 (< 300 N/m)。LifeStent、Innova、SmartControl、EverFlex、Misago 和 Complete SE 支架在被压缩超过初始横截面积的 65-70% 时会失去大部分径向刚度。Absolute Pro 和 Viabahn 支架的径向刚度在受到较大径向压缩时也出现了适度下降，而 Zilver、Smart Flex 和 Tigris 支架的刚度则随着径向压缩程度的增加而增加。
尽管这些台式试验为了解不同支架的抗挤压能力提供了有价值的信息，但要复制体内条件，还需要进行更逼真的径向压缩试验，包括涉及整个圆周的虹膜型机制，以及在超大尺寸动脉样管中的部署。
03.抗压强度
另一项与径向压缩类似的测试是测试支架的抗挤压性。在抗挤压性测试中，支架在两个平行表面之间受到挤压，而不是沿圆周均匀受压。由于其简单性，这种类型的测试有时比径向压缩更受青睐，但加载条件与径向压缩明显不同。因此，这两个测试的结果不能直接比较。 在一份支架机械性能报告中显示，不同支架型号的抗挤压性能存在显着差异。特别是在将直径为6mm的支架的二英寸长部分进行25%横向压缩时，Fluency Plus（296克）报告了最高的抗阻力，其次是Protégé GPS（242克）、Cordis Smart（153克）、Bard Lifestent NT35（150克）、Gore Viabahn（125克）和Absolute支架（115克）。使用图 8 所示的技术变体，通过在支撑板和 6.35 毫米直径千分尺头之间压缩支架，测量了 8 毫米直径支架的抗挤压性。Instent Vascucoil（美敦力公司）、Symphony（波士顿科学公司）和 Memotherm（巴德公司）支架（均长 40 毫米）的抗压强度以将支架压缩至其标称直径的 50%所需的力来表示，单位为牛顿。Instent Vascucoil 和 Memotherm 支架显示 2.7 N 阻力，而 Symphony 显示 3.4 N 阻力。
04.弯曲
FPA 支架的弯曲特性通常是通过三点弯曲设置获得的（图 8）。GORE比较了直径为6毫米、跨度为45毫米的支架在跨度中间变形至5毫米时的阻力。他们的结果表明，Viabahn 的抗弯曲能力最低（0.5 克），其次是 Absolute（1.9 克）和 Lifestent NT35（2.2 克）设备。Smart 支架 (17 g)、Protégé (38 g) 和 Fluency Plus (54 g) 支架的阻力明显更高。结果还显示，Fluency Plus、Protégé GPS 和 Smart 支架在严重弯曲条件下会横向塌陷，而 Viabahn、Absolute 和 Lifestent NT35 则保持开放的横截面。
使用基于手动减速变速箱的设备来确定 8 毫米直径 Instent Vascucoil、Symphony 和 Memotherm 支架（均为 40 毫米长）在弯曲变形时的弯曲特性。弯曲刚度以牛顿为单位测量，即支架 20 毫米长的部分发生 10° 弯曲所需的力。Instent Vascucoil 显示出 5 mN 弯曲刚度，Memotherm 支架显示出 200 mN 弯曲刚度，Symphony 显示出 490 mN 弯曲刚度。还注意到，在较高的弯曲度下，一些支架会扭结。
通过比较推动支架穿过有机玻璃管 120° 弯曲所需的力，对弯曲变形下的 8 毫米直径支架进行了比较。究表明，一些支架设计的弯曲特性明显不同，但由于其他条件（如摩擦）可能会影响测试结果，因此尚不清楚该测试对支架弯曲特性的描述程度。
还对12个FPA支架进行了弯曲分析，数据表明设备之间的弯曲刚度存在很大差异。Smart Control（98 N/m）、Smart Flex（54 N/m）和EverFlex（46 N/m）具有最高的弯曲刚度，而Tigris（2 N/m）、Viabahn（3 N/m）和Misago（10 N/m）支架则具有最低的弯曲刚度。此外，还观察到一些支架存在被夹紧的直径（如Innova、Zilver、Smart Control、EverFlex和Complete SE支架），以及某些器械出现“鳄鱼背”的外观（即Absolute Pro、Misago和Zilver支架），当器械弯曲时，支架上的支杆远离支架并指向动脉壁。挤压通常发生在轴向支柱连接较短的支架上，而 "鳄鱼背 "则出现在支柱较长的装置上。
05.轴向拉伸和压缩
很少有关于轴向拉伸和压缩测试的数据。对经过不同时效处理的定制未切割镍钛诺管进行了轴向拉伸测试。虽然应力-应变曲线显示了非线性行为特征和高恢复应变，但尚不清楚这些特性是否能转化为实际支架的机械行为。
戈尔公司报告称，在 15%的压缩应变下，不同支架的轴向抗压性差异很大。为了防止支架在压缩过程中发生屈曲，支架由一根内杆支撑（图 8）。Viabahn 的阻力最小（17 克），其次是 Lifestent（54 克）、Absolute（55 克）、Smart（203 克）、Fluency Plus（477 克）和 Protégé GPS（539 克）支架。研究还表明，Viabahn 是唯一一种在轴向压缩 25% 时不会发生弯曲的设计。
目前使用的 12 种 FPA 支架的拉伸刚度差异很大，其中 Viabahn、Smart Flex 和 Tigris 的拉伸刚度最大（分别为 12387、2469 和 2398 N/m），而 Misago、Absolute Pro 和 Supera 的拉伸刚度顺应性最好（分别为 32、47 和 94 N/m）。对于 Viabahn 和 Tigris 设备来说，拉伸时的高刚度是由 ePTFE 织物和塑料互联器而不是镍钛诺金属丝造成的。同样，FPA 支架在轴向压缩方面也显示出巨大差异，其中 Smart Control、Smart Flex 和 Zilver 支架最硬（压缩刚度分别为 534、236 和 218 N/m），而 Tigris 和 Viabahn 的压缩刚度最软（均为 7 N/m），这可能是由于它们的镍钛诺丝采用了螺旋设计。此外，Smart Flex、EverFlex、Innova、Smart Control、Complete SE 和 Zilver 支架在轴向缩短 25% 时会发生弯曲，这对应于腘动脉在肢体屈曲时所经历的生理压缩。屈曲不稳定性包括突然发生的巨大平面外变形，这可能会损坏动脉壁，导致通畅率降低和机械装置更快失效。
06.扭转
图 8 展示了用于支架表征的典型扭转装置。戈尔公司比较了支架在 3°/cm 旋转下的扭转特性。结果显示，Absolute（1.2 克）的抗扭转能力最低，其次是 Lifestent NT35（2.5 克）、Viabahn（4.3 克）、Smart（6.2 克）、Protégé（9.6 克）和 Fluency Plus（27.1 克）。虽然这份报告很好地比较了不同支架的扭转性能差异，但测试条件明显低于 FPA 的生理扭转（26°/cm，而不是 3°/cm）。
在一项研究中采用了生理水平的 FPA 扭转，观察到 12 个 FPA 支架之间存在显著差异。扭转时最硬的支架是 Supera（959 μN m/°），这可能是由于其编织设计和镍钛诺丝之间的摩擦力。Smart Control（87 μN m/°）和 Smart Flex（58 μN m/°）也是硬度最高的支架之一，而硬度最低的支架是 Viabahn（2 μN m/°）、Absolute Pro（9 μN m/°）和 Tigris（13 μN m/°）装置。此外，Supera、Lifestent、Smart Flex 和 EverFlex 支架在达到较高的生理扭曲水平之前就会弯曲。高抗扭转性和扭转过程中的屈曲都会促进动脉壁和装置之间的不良相互作用，可能导致动脉壁损伤并导致治疗失败。Smart Flex、Misago 和 LifeStent 也因其非对称设计而在顺时针和逆时针旋转时显示出显著差异。
07.循环和疲劳测试
镍钛诺支架的断裂是由于微结构缺陷周围的循环应力集中引起的裂纹发展造成的。尽管镍钛诺具有超弹性，但与大多数其他金属和金属间化合物材料相比，其疲劳阈值较低。10 年内，FPA 支架预计将因心跳引起的脉动而经历约 4.2 亿次加载循环，以及行走过程中因肌肉骨骼运动而经历约 1800 万次加载循环。大量的加载循环导致疲劳损伤累积和裂纹扩展，最终导致支柱断裂。一些研究人员已经表征了镍钛诺的断裂机制和疲劳特性。使用同步加速器 X 射线微衍射表明，在退火后的扁平镍钛诺管中，从奥氏体相到马氏体相的转变发生在裂纹尖端。该转变导致体积变化，据这被认为会因诱导额外的拉伸应力而进一步促进裂纹扩展。研究还表明，晶体学纹理在裂纹传播中起着重要作用，在镍钛合金管中的优选取向大约在与拉伸方向成45°角。此外，有证据表明，镍钛合金样品的厚度在抗疲劳性方面也起着重要作用。因此，工艺参数和样品几何形状预计会对断裂特性产生深远影响，因此不同支架设计的抗疲劳性可能会有很大差异。
多项研究调查了不同支架在各种载荷下的耐久性和抗断裂性。对七种 FPA 支架设计进行了疲劳测试，测试条件为 37 °C、40% 压缩、40° 弯曲和 30°/cm 扭转。支架承受了 5000-650,000 次加载循环，观察到的断裂率汇总于表 2。
表 2：在空气中测试的不同支架在弯曲、轴向压缩和扭转变形下直至断裂的平均循环次数。
括号中的数字表示在达到 650,000 次循环之前测试的支架断裂的次数。
使用雅培血管设计的专用轴向压缩和弯曲设备来测试六种支架设计。将支架部署到尺寸比为 1:1.4 的硅胶管中，并在 37 °C 盐溶液中进行 5% 轴向压缩和 48° 弯曲变形测试，在 7 Hz 频率下进行高达 1000 万次循环。每 24 小时使用光学显微镜检查一次支架是否破裂。这些测试的结果总结于表 3 中。
表 3：在硅胶管中重复 10^7 次 5%轴向压缩和 48°弯曲变形时的支架断裂率。
还研究了镍钛合金支架部件的疲劳测试。研究人员测试了定制菱形 V 形支柱部分的机械疲劳。菱形样品在 50 Hz 频率下进行了高达 1000 万次循环的疲劳测试或直至断裂。结果显示，当以半对数标度绘制时，支架承受负载的循环次数与所施加应变的幅度之间存在线性相关性。不过，大多数样品都能在 10^7 个循环中存活下来。
使用马氏体镍钛诺管进行疲劳测试，在室温和 0.1 Hz 频率下采用轴向扭转组合方法，最高循环次数为 10^5。研究表明，在等效冯-米塞斯应力标准下，相外扭转-弯曲模式的疲劳寿命明显短于相内弯曲-扭转或纯扭转模式。还报告了同相轴向扭转试样的复杂裂纹扩展路径，表明轴向应力在裂纹扩展中具有主导作用。这些结果表明，需要进行更全面的实验和分析研究，以更好地了解多轴加载条件下的镍钛诺疲劳行为。
虽然这些研究和其他研究显着提高了我们对镍钛诺疲劳特性的理解，但 FPA 支架尽管经过设计可提供 10 年的使用寿命，仍然会出现故障。全面的研究可以确定材料特性和特定设计特征对机械性能的影响，并采用更真实的加载条件进行疲劳测试，从而有可能开发出具有更好疲劳性能的新型 FPA 支架设计。
08. 需要新的表征技术
镍钛诺支架的台式机械测试为了解不同装置在受控加载条件下的对比情况提供了宝贵的信息。但是，这些测试不能直接用于确定有助于提高机械性能的具体设计特征，因为支架同时在多个设计参数（以及可能的材料特性）方面存在差异。有限元建模（FEM）可用于确定这些设计特征，但它需要了解材料特性，而材料特性往往是专有的。镍钛诺的机械特性可以通过对单个支柱进行机械测试来提取；但由于尺寸小、几何形状弯曲，这项任务并不轻松。另外，也可以通过反向计算方法获得此类数据，但由于描述镍钛诺特性的参数较多，因此无法确定唯一的参数。因此，除非设备制造商直接提供不同 FPA 支架所用镍钛诺的确切材料特性，否则还需要进行更多的研究来确定这些特性。
除了研究能提高 FPA 支架机械性能的设计特点外，设备评估还应包括评估支架对动脉壁造成的损伤，包括产生局部高应力集中，或造成内皮损伤或支架突出的擦伤。据我们所知，目前还没有发现特定支架特征与临床表现之间的相关性，但使台式试验更接近体内条件可能有助于确定这些设计特征。然而，由于临床表现是许多变量的函数，其中许多变量是患者而非设备特异性的，因此支架评估可能应包括台架、动物模型和计算实验的组合，这些实验需要协同进行，并通过临床试验进行评估。
五、总结
镍钛合金独特的形状记忆和超弹性特性极大地推进了使用支架的微创血管内治疗技术的发展。然而，尽管在其他动脉床中广泛成功使用，但其在 FPA 中的表现仍然与不良的临床结果有关，具体表现为通畅率降低和重复手术干预发生率增加，从而大大增加了成本。虽然从材料的角度来看，人们对镍钛诺合金的基本物理和机械性能有了很好的了解，但对镍钛诺支架的结构行为及其与动脉壁的相互作用的了解还不够，需要进一步研究。同样，更好地了解FPA的动态环境对于改善用于治疗PAD的支架的设计和临床性能至关重要。
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