基于形状记忆合金的输卵管封堵器生物力学性能有限元分析：压缩、扩张与弯曲特性研究

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Biomechanical investigations on compression, expansion, and flexion of tubal occluders: a finite element analysis

本文通过有限元分析系统评估了一种新型形状记忆合金输卵管封堵器在不同丝线密度设计下的生物力学性能。研究提出对称双线圈结构以增强摩擦稳定性，对比稀疏（n=84）、标准（n=113）和密集（n=226）三种模型的机械响应。结果表明标准模型在径向支撑力（radial support）、弹性回复（elastic recoil）和柔顺性（compliance）之间达到最佳平衡，其最大应变（2.73%）低于镍钛合金（NiTi）超弹性极限（8%），而密集模型因过度变形（应变12.73%）存在结构失效风险。该研究为输卵管积水（hydrosalpinx）的微创介入治疗提供了优化设计依据。

　　

背景

输卵管积水（hydrosalpinx）常由慢性输卵管炎引起，其特征是输卵管引流受损导致管腔内液体积聚。这种情况显著降低了体外受精和胚胎移植（IVF-ET）的成功率。与未患病女性相比，受影响患者的IVF-ET成功率可能降低高达50%，同时早期流产和异位妊娠风险增加。因此在辅助生殖程序前建立容受性子宫内膜环境对于实现成功植入和妊娠至关重要。

在临床实践中，输卵管积水通常通过输卵管结扎或近端输卵管封堵术来管理。其中近端输卵管栓塞术已显示出与手术结扎相当的结果，并具有多个显著优势：保留输卵管和卵巢的血液供应，有效预防完全封堵后的异位妊娠，无需住院，降低成本并允许更快的术后恢复。这些益处对于腹腔镜手术禁忌症患者尤为重要，栓塞术可作为首选替代方案。

方法与材料

封堵器设计原理

镍钛合金（Nitinol）因其形状记忆特性和超弹性行为被选为封堵器的主要材料，替代传统的铂钨合金。这些特性特别有利于微创医疗应用。此外镍钛合金表现出优异的生物相容性，非常适合长期植入。理想的输卵管封堵器必须展示可靠的扩张性、强大的径向支撑力、高轴向柔韧性以及最小的径向和轴向回弹。为了优化这些机械特性，采用了受传统网状支架启发的结构框架。

与传统单线圈设计相比（常因与输卵管壁摩擦接触不足导致装置迁移和封堵不完全），本研究提出对称双线圈配置。这种双层设计显著增加了管腔内的接触表面积，从而增强摩擦阻力并改善位置稳定性。此外双线圈结构能够更精确地调节施加于输卵管壁的径向压力，有助于提高疗效和安全性。

三维模型与网格划分

封堵器使用SolidWorks进行建模。基于预定设计规格，主要结构采用标准螺旋线圈的二维轮廓构建。最初使用0.02毫米线径生成单层线圈，然后将该基础几何线性阵列化并进行卷绕操作以产生封堵器的最终三维模型。建模过程特别侧重于评估不同丝线密度对装置机械性能的影响。因此开发了三种不同的模型，分别代表不同的丝线密度（n）：稀疏、标准和密集。所有模型的详细几何参数见表1。对于加载条件的模拟，采用薄壁圆柱形压缩工具，长度为30毫米，直径为8.4毫米。

选择梁单元进行网格划分，因为线径相对于支撑结构内的间距较小。这种选择能够高效进行线厚参数分析，同时减少自由度数量并提高计算效率。具体而言，本研究采用B31单元（线性两节点空间Timoshenko梁单元，具有线性插值）。与B33和B33H单元相比，B31单元能够适应横向剪切变形，使其适用于更广泛的结构应用。

压缩工具使用SFM3D4R单元进行网格划分，单元尺寸为0.2毫米。每个组件使用的元素和节点总数总结在表2中。网格生成和数值模拟使用ABAQUS/Explicit求解器进行双精度计算。这种方法最小化了由于舍入引起的数值误差，并提供比单精度分析更高的准确性。

材料模型

镍钛合金表现出温度依赖的马氏体相和奥氏体相之间的相变。在较低温度下，合金稳定在马氏体相，包括孪晶和去孪晶变体。随着温度升高，它转变为奥氏体相。镍钛合金的定义特性之一是其超弹性，使其能够承受超出常规弹性极限的大而完全可恢复的应变。在外部载荷下，材料可以显著变形；一旦施加的应力超过临界阈值，形状记忆因子达到1，进一步加载导致马氏体相的弹塑性变形。在卸载过程中（只要应力低于该临界水平），材料逐渐恢复其原始形状，形状记忆应变减少直至实现完全恢复。在本研究中，所有封堵器模型均使用镍钛合金的超弹性本构模型定义。由于研究目前处于初步验证阶段，不涉及体外实验，因此暂时不考虑镍钛合金材料的热机械循环本构。使用的材料参数详见表3。为简化起见，压缩工具被建模为没有特定材料属性的理想弹性体。

边界条件

为防止模拟过程中的刚体运动，封堵器的中心纵轴耦合到远端参考点。该参考点在周向和轴向受到约束，类似约束也应用于压缩工具以消除系统任何不必要的全局平移或旋转。在压握阶段，模拟温度设置为5°C以反映装置的储存条件。向压缩工具施加3.75毫米的径向位移，向内朝向管腔中心，以压缩封堵器并将其直径减小以适应管内空间。压握完成后，温度升高至36.5°C以模拟生理条件。在此阶段，移除压缩工具与装置之间的接触，允许封堵器自扩张并恢复其压握前配置。

为评估装置的柔韧性，采用悬臂梁配置。在封堵器左端建模一个薄方形板（5毫米×5毫米，厚度：0.2毫米）以提供固定支撑。该板被赋予结构钢的材料属性，弹性模量为206,000兆帕，泊松比为0.3，密度为7.85克/立方厘米。采用包含无摩擦硬接触条件的通用接触算法，以防止弯曲变形过程中装置的自接触或相互穿透。在远端创建一个参考点，并将其耦合到封堵器右侧的所有节点。然后向该参考点施加0.2牛的集中力以诱导弯曲变形。

结果

压缩与部署

压握至最小直径期间记录的最大von Mises应力为：稀疏模型539.58兆帕，标准模型574.46兆帕，密集模型1569.04兆帕，显示封堵器密度与应力大小之间存在明显相关性。在标准配置中，峰值应力主要位于连接区域。相比之下，密集模型表现出明显的应力集中，归因于在径向位移6.75毫米时封堵器与压握壳的完全接触。超过此点后，持续压缩导致内部线材拥挤引起的过度变形，进而在过应力线材段内产生高局部应力。所有三种配置的时间分辨应力演变如图所示。稀疏模型具有松散内部框架和宽线间距，不易受到压缩变形。相比之下，标准和密集模型更紧凑的结构不仅承受更高的外部压握力，还承受显著的线间相互作用，进一步加剧了内部应力水平。

在所有三种封堵器模型中，峰值应变发生在最大压握点。记录的最大应变为：稀疏模型1.88%，标准模型2.73%，密集模型12.73%。稀疏和标准配置都将应变水平保持在镍钛合金8%的超弹性恢复极限以下，表明其结构完整性在压缩过程中得以保持。然而密集模型的峰值应变显著超过该阈值，达到12.73%，超过了镍钛合金普遍接受的可恢复应变极限。这表明密集设计中的过度压缩可能导致线材元件的局部塑性变形，可能损害自扩张能力。

稀疏模型经历最大的轴向变形，而密集模型经历的变形最小。稀疏封堵器的轴向缩短率为2.83%，表明在自扩张过程中纵向收缩更明显，是三种设计中轴向恢复最弱的。标准模型表现出适度的轴向缩短1.83%，而密集模型的轴向缩短最小，为0.94%，反映了其优异的轴向回弹性和部署后最小的形状改变。径向变形结果如图所示。测量的最大径向变形为稀疏模型0.084毫米，标准模型0.081毫米，密集模型0.077毫米，显示配置之间差异相对较小。关于径向回弹，稀疏模型的回弹率最高，为1.05%，其次是标准模型0.81%，而密集模型表现出最低的径向回弹，仅为0.15%。

柔韧性

在柔韧性测试中，密集封堵器经历最高的von Mises应力峰值，为21.32兆帕，而稀疏模型表现出最低应力，为8.26兆帕。标准设计介于这些值之间，达到12.91兆帕。对于所有三种配置，应力集中主要出现在中央和左侧连接区域。相应的最大应变值分别为密集模型0.22%，标准模型0.14%，稀疏模型0.09%——均远低于镍钛合金的超弹性应变极限。这些发现表明所有封堵器都能承受弯曲而不会发生结构失效，并保持优异的弹性恢复。最大位移分析显示，稀疏封堵器比密集变体变形更大。此外弯曲下的位移-载荷曲线表明，在相同载荷下，稀疏模型产生最大的挠度。相应地其弯曲刚度最低，为162.67牛/米，反映了优异的柔韧性。相反密集模型显示出最高的弯曲刚度222.17牛/米，表明柔顺性降低。标准封堵器表现出中间的机械行为，弯曲刚度为188.74牛/米。

讨论

输卵管栓塞术是治疗输卵管积水的一种有前景的微创治疗方法。然而现有的封堵器存在显著缺陷。例如Essure?系统尽管广泛使用，但已关联到越来越多不良事件报告，主要归因于其刚性和锐利边缘。在一项关于Essure?封堵器的研究中，报告了一例39岁女性接受Essure宫腔镜绝育术。虽然子宫输卵管造影显示双侧输卵管封堵成功，但她随后经历了意外妊娠（已终止）以及持续性盆腔疼痛和其他症状。最终她接受了腹腔镜辅助阴道子宫切除术和双侧输卵管切除术。病理评估显示一侧输卵管被Essure?封堵器穿孔，而另一侧（正确放置封堵器）的输卵管仍保持通畅。

Essure?封堵器由两个金属线圈组成，每个线圈覆盖有小塑料纤维倒刺。植入输卵管后，它诱导瘢痕组织形成以实现输卵管封堵。然而输卵管本身经历蠕动等生理活动，封堵器的结构设计可能无法完全适应这些生理运动，使其容易迁移。如果插入不够深，封堵器可能在弯曲部位穿孔并迁移到腹腔；如果插入深度不足，封堵器可能迁移到子宫，引起严重痉挛和大出血。

此外Essure?封堵器的内线圈涂有聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维。这些纤维可刺激纤维化反应，可能导致输卵管管腔封堵。在一项关于机械输卵管封堵器的影像学研究中，作者观察到Essure?线圈装置的迁移导致脱落和其他并发症，其中输卵管 expulsion 进入子宫腔是中央迁移最常见的并发症。类似地，龙卷风形微线圈由于其编织设计而存在结构不稳定性，通常需要多次重叠部署，并显示出相对较高的失败率。

为了克服现有封堵器使用过程中出现的问题，我们开发了一种由形状记忆合金构成的新型双层弹簧封堵器，结合了材料和结构创新。与Essure?装置和龙卷风形微线圈相比，由于双层弹簧结构，新封堵器应力分布更均匀，降低了位移风险。通过采用更紧密编织的结构，可以使结构上的应力更均匀，降低穿孔风险。通过系统改变丝线线密度作为单一设计参数，我们通过有限元分析评估了不同配置的机械行为，重点关注压握、部署和弯曲性能。我们的模拟显示，较高的丝线密度增强了径向支撑力和弹性回弹，但降低了柔顺性并增加了材料失效的风险。相反较低密度的设计提供了优异的柔韧性和安全性，但由于锚固强度不足而存在滑脱风险。在各种变体中，标准密度封堵器实现了最佳平衡——提供足够的支撑、有效的回弹和适度的柔顺性，而不会引起材料损伤——使其成为临床应用最有希望的候选者。

在压握和部署阶段，峰值应力的分布在最大压缩时因设计而异。在稀疏模型中，高应力集中在支撑区和中央区。标准设计表现出应力主要位于连接点，而密集封堵器模型缺乏清晰的应力热点，但在某些线材段显示局部集中。这种现象是由于过度压缩导致线材无序堆积和过度变形所致，峰值应力达到1569.04兆帕。稀疏封堵器线密度较低，未能实现与压握工具的完全接触，主要依靠支撑区维持径向完整性，因此应力集中在那些区域。

在封堵器设计中优先考虑材料安全性至关重要。在此之前，几位学者已对镍钛材料的安全性进行了研究。Maximilien E. Launey等人发现，镍钛材料在最大应变4%下经历1亿次循环后，材料表面没有微裂纹，并且相变峰（通过差示扫描量热法DSC确定）没有偏移。实际上输卵管封堵器在使用过程中仅经历单次压握和释放过程。在最大可恢复应变范围内，封堵器可以保持结构和功能完整性。稀疏和标准模型的最大应变均远低于镍钛合金8%的超弹性应变极限，表明压缩过程中没有永久性材料损伤。然而密集设计超过了该阈值，表明存在局部塑性变形和装置功能潜在损害。三者中标准封堵器达成了最佳折衷，提供足够的径向支撑力以抵抗在光滑输卵管内的移位，同时避免材料失效。尽管密集封堵器在轴向缩短和径向回弹方面表现出 marginally 更好的性能，但这些差异很小，不太可能显著影响临床结果。

所有封堵器的载荷-位移曲线显示近乎线性趋势。在相同载荷下，稀疏模型显示最大的挠度和最低的弯曲刚度，表明柔韧性最高。相反密集设计是最刚硬的，位移最小，标准配置表现出中间的机械行为，平衡了刚度和柔顺性。增强的柔韧性促进了通过输送导管和输卵管弯曲解剖结构的更容易导航，降低了管腔磨损或穿孔的风险。因此综合考虑柔韧性和径向支撑力，标准封堵器提供了最通用和临床适用的设计。

镍钛合金的生物相容性可以通过抑制镍离子释放、强化表面钝化层以及改善细胞相容性和血液相容性等方法来更好地增强。Nazarov D.V.等人通过原子层沉积（ALD）在镍钛表面构建了ZnO–TiO₂复合纳米涂层，显著促进了成骨细胞（MG-63）和间充质干细胞（FetMSC）的粘附和分化，同时表现出一定程度的抗菌活性。Mohammadi等人首先对镍钛进行阳极氧化，然后涂覆壳聚糖-肝素纳米颗粒，抑制了镍离子的释放并改善了抗凝血性能。

由于其优异的金属性能和生物相容性，镍钛合金广泛用于医疗器械。Chen等人开发了一种用于将血流从动脉瘤囊转移的分流器，基于薄膜镍钛（TFN）。结果表明TFN表现出优异的超弹性行为，使其非常适用于曲折的神经血管动脉。此外一些关于支架和封堵器的研究也强调了镍钛合金在力学和生物相容性方面的优势。

延展性和生物相容性都是输卵管封堵器所需的关键特性，我们的新型封堵器也采用了这种材料。一些封堵器通过利用受控输卵管炎症反应期间沉积在粘膜下层的胶原组织来实现封堵。然而本研究中的封堵器通过其结构实现输卵管封堵，其良好的柔韧性和材料生物相容性可以预防输卵管炎症和装置迁移。

本研究采用压握、部署和弯曲的数值模拟来全面评估具有不同丝线密度的新型输卵管封堵器的机械性能。研究结果确定了一种标准密度设计的封堵器，在径向支撑力、弹性回弹和柔顺性之间达到最佳平衡，为输卵管积水治疗提供了一种有前景的方法。然而未来的研究应解决受机械刺激下发炎输卵管的生理反应，因为这些可能影响装置疗效。此外压缩增强了装置的紧凑性，并可能提高封堵效果；因此需要进一步的流体动力学研究来验证体内密封性能。

结论

本研究介绍了一种由镍钛合金制造的新型形状记忆输卵管封堵器，具有三种由丝线密度区分的几何变体。通过评估压握、部署和柔韧性的数值模拟，观察到不同设计之间独特的机械行为。稀疏模型（丝线密度=84）表现出优异的柔韧性但缺乏足够的径向支撑。相反密集设计（丝线密度=226）提供了增强的结构强度但以牺牲柔顺性为代价；内部线材的过度拥挤导致超过可恢复应变极限的过度变形。标准模型（丝线密度=113）在机械支撑和结构弹性之间实现了最佳平衡，突出了其强大的临床应用潜力。