镁合金血管支架卷曲与扩张过程中的载荷反向与损伤：实验与建模

《Journal of Materials Research and Technology》：Load reversals and damage in magnesium alloys during stent crimping and expansion: Experiments and modelling

　　

摘要：可生物降解镁合金(biodegradable magnesium alloys)是下一代可吸收血管支架(polymeric bioresorbable scaffolds, BRS)颇具前景的材料，但其有限的延展性(ductility)及显著的拉–压强度不对称性(tension–compression asymmetry)给器械展开(deployment)带来主要挑战。本研究考察了三种镁合金——Mg-2Gd、Mg-4Y-3Gd（文中简称Mg-4Y）和ZX10（Mg–Zn–Ca系）——在模拟支架卷曲(crimping)与扩张(expansion)工况的载荷反向条件下的力学响应与失效行为。研究人员开展了循环拉–压–拉(tension–compression–tension, TCT)与压–拉–压–拉(compression–tension–compression–tension, CTCT)试验以量化强度不对称性、孪晶/退孪晶效应及残余延性(residual ductility)；并为每种合金标定结合Cazacu–Plunkett–Barlat(CPB)屈服准则与Gurson–Tvergaard–Needleman(GTN)延性损伤模型的本构框架，以准确表征循环塑性(cyclic plasticity)与延性断裂(ductile failure)。验证后的材料模型被植入球囊扩张式(balloon-expandable)支架完整卷曲–扩张序列的有限元模拟(finite element simulation)中。结果表明，Mg-2Gd和Mg-4Y在载荷反向后保有较高拉伸延性，模拟展开过程中维持结构完整性，且具有适中的弹簧回弹(springback)与回缩(recoil)；相比之下，ZX10表现出早期空洞形核(void nucleation)、快速损伤累积及扩张过程中撑体(strut segment)过早失效，无法完成全量展开。该建模框架可深入揭示局部应变路径(strain path)、损伤演化(damage evolution)及关键设计区域，实现对支架性能可靠的计算机评估(in silico assessment)。

论文解读——《Load reversals and damage in magnesium alloys during stent crimping and expansion: Experiments and modelling》发表于《Journal of Materials Research and Technology》

一、研究背景与意义

永久性金属血管支架植入后可能引发再狭窄(restenosis)、慢性炎症及晚期血栓，且造成磁共振与CT血管造影伪影。可生物降解镁合金(biodegradable magnesium alloys)兼具良好生物相容性、成骨诱导性及合适力学强度，有望克服聚合物可吸收支架径向支撑不足需增厚的缺陷，成为下一代可吸收血管支架(bioresorbable vascular scaffolds, BVS)的理想候选材料。但镁合金为HCP六方结构，存在显著拉–压强度差异即强度微分效应(strength differential, SD effect)，受限的塑性变形能力，且在支架卷曲(crimping, 受压)至导管输送后再球囊扩张(expansion, 受拉)这一典型载荷反向(load reversal)过程中，孪晶(twinning)激活与退孪晶(de-twinning)会影响残余延性与损伤累积，传统基于单调拉伸的应力–应变判据不足以预测其失效。为筛选适用于支架制造的镁合金并优化设计，研究人员对三种典型镁合金开展载荷反向实验与耦合损伤的循环塑性本构建模，并将模型用于球囊扩张式(balloon-expandable)支架卷曲–扩张全过程有限元模拟，以评估材料适用性并识别危险区域。

二、主要关键技术方法

研究人员选用三种挤压+T4固溶处理的镁合金：稀土系Mg-2Gd（~1.8 wt% Gd）、Mg-4Y-3Gd（ASTM WV43，文中称Mg-4Y，~3.5 wt% Y, 2.5 wt% Gd）及非稀土系ZX10（~0.94 wt% Zn, 0.15 wt% Ca），平均晶粒尺寸6 μm（Mg-2Gd）与17 μm（Mg-4Y、ZX10）。沿挤压方向加工狗骨试样，进行±5%工程应变控制的循环拉–压–拉(TCT)与压–拉–压–拉(CTCT)试验获取载荷反向响应。本构模型采用各向同性Cazacu–Plunkett–Barlat(CPB06)屈服函数描述拉–压强度不对称性(k参数调控)，Voce型随动硬化(Chaboche模型，最多三组背应力变量)描述循环硬化，Gurson–Tvergaard–Needleman(GTN)模型描述空洞生长(void growth)与形核(void nucleation, 含压缩抑制tanh函数)，临界孔隙率f_c触发孔洞聚合(void coalescence)，f_f对应最终断裂。硬化参数由单单元循环加载模拟拟合实验曲线获得；损伤参数由带肩部的轴对称试样全模型模拟拟合断裂行为标定。支架几何取自典型镁合金支架设计（直径16 mm，长38.7 mm，撑杆厚0.6 mm，5个重复单元+3短连接桥），采用33624个八节点实体单元离散，通过8块刚性卷曲轴径向压至?8.5 mm（模拟卷曲）后卸载弹簧回弹，再导入球囊(位移控制)扩至?22.5 mm（模拟扩张）并预测回缩(recoil)，摩擦系数μ=0.05，ABAQUS隐式求解器调用Z-mat用户材料子程序实现。

三、研究结果

3.1 TCT and CTCT tests（载荷反向力学实验）

Mg-2Gd与Mg-4Y在±5%预应变后于最终拉伸段仍展现极高断裂延伸率（Mg-2Gd >70%，Mg-4Y 55%~60%），第二拉伸段出现退孪晶引起的应力平台特征，表明孪晶/退孪晶提供额外变形机制。ZX10拉压响应近对称(k≈-0.052)，断后延伸率约25%，压缩阶段孪生诱发不均匀性致试验重现性较差，且第二拉伸段退孪晶导致凹向上应力响应，整体延性最低。

3.2 Model parameters for the three alloys（三种合金本构与损伤参数标定）

CPB模型中k值：Mg-2Gd为-0.272，Mg-4Y为-0.5（强拉–压不对称性），ZX10为-0.052（近对称）。GTN损伤参数显示Mg-2Gd与Mg-4Y具高f_c（0.15、0.10）与高f_f（0.4），空洞形核延迟(p_c=0.08及0.01)；ZX10则f_c极低(0.003)、f_f=0.15、p_c=0（塑变即开始形核），q₂=1.0（标准三轴度敏感性），表明其极易损伤。模型能较好复现三种合金循环滞回与断裂点。

3.3 Prediction of the crimping — expansion behaviour（支架卷曲–扩张过程预测）

三种合金全局力–直径曲线相近，ZX10载荷水平略高。弹簧回弹比(s_r)：Mg-2Gd 11.9%、Mg-4Y 11.7%、ZX10 7.1%；回缩比(r_r)：Mg-2Gd 4.1%、Mg-4Y 3.6%，ZX10因提前损伤测得2.4%（非完好支架标准值）。最大主应变位于弯弧内侧凹面，卷曲受压为负应变，扩张转拉为正；Mg-2Gd与Mg-4Y最危险点主应变范围约[-0.3, 0.3]，扩张末最大孔隙率f分别低于各自f_c，未达临界。ZX10在扩张至?13.8 mm时最危险处f达f_c=0.003，迅速进入孔洞聚合导致撑体断裂，无法完成至目标直径展开，损伤最先出现在卷曲阶段凸面及扩张阶段凹面内侧曲率最大处。

四、讨论与结论总结

讨论指出，±5%预应变未降低稀土镁合金残余断裂应变，反而因孪晶/退孪晶激活额外滑移系而提升表观延性，区别于AZ31B等脆性镁合金。本实验沿挤压方向取样，支架撑杆主要承受切向载荷，但已有研究表明该两种取向塑性屈服差异较小，不影响失效趋势判断；而第二相粒子分布可能导致切向延性低于轴向测量值，建议后续通过投影映射法处理形核位点分布。稀土合金(Mg-2Gd、Mg-4Y)具高f_c、高f_f与延迟形核，适合薄壁支架；ZX10早期形核与低f_c致提前失效，不适于常规卷曲–扩张工艺。相比传统von Mises应力或等效塑性应变判据，引入内变量孔隙率f的GTN模型可路径依赖地追踪微观损伤演化，更可靠识别支架临界区。框架支持替换更复杂球囊模型，可用于不同合金与几何设计的in silico筛选。

结论（翻译自原文Conclusion要点）：

研究人员建立了融合Cazacu–Plunkett–Barlat屈服函数与Gurson–Tvergaard–Needleman损伤模型的循环塑性本构，并经三种镁合金载荷反向实验标定验证。Mg-2Gd与Mg-4Y稀土镁合金在支架卷曲–扩张载荷历程中保持高残余延性、适中回弹/回缩及结构完整；ZX10(Mg–Zn–Ca)合金因早期空洞形核与快速损伤累积在扩张中途达到临界孔隙率引发撑体失效，不适合作为球囊扩张式可降解镁合金支架材料。该计算框架能详细揭示局部应变路径、损伤演化及高危区域，为可降解镁合金血管支架的材料选型与设计优化提供可靠的数值评估工具。