《Polymers》：Finite Element Investigation of the Influence of Strut Diameter on the Mechanical Performance of Balloon-Expandable Biodegradable PLA/PDO Coronary Stents
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本研究采用有限元分析（FEA），数值研究了支杆直径对具有菱形单元结构的球囊扩张式可生物降解支架扩张行为的影响。支架材料采用60/40聚乳酸/聚二氧六环酮（PLA/PDO）共混物。在相同的扩张条件下，分析了支杆直径分别为0.15、0.25、0.35和0.50 m
本研究采用有限元分析（FEA），数值研究了支杆直径对具有菱形单元结构的球囊扩张式可生物降解支架扩张行为的影响。支架材料采用60/40聚乳酸/聚二氧六环酮（PLA/PDO）共混物。在相同的扩张条件下，分析了支杆直径分别为0.15、0.25、0.35和0.50 mm的四种支架构型。数值评估考虑了von Mises应力以及五个扩张指标：直径应变、弹性回缩、狗骨效应（dog-boning）、短缩和纵向回缩。结果表明，增大支杆直径可降低弹性回缩、短缩和纵向回缩，从而增强扩张后的尺寸稳定性。然而，较厚的支杆也会增加狗骨效应，表明径向扩张均匀性降低。在所研究的构型中，支杆直径为0.35 mm的支架在采用的数值假设下，表现出扩张均匀性与扩张后机械稳定性之间的均衡响应。对于该构型，弹性回缩、短缩、纵向回缩和狗骨效应分别约为6.2%、10%、37%和8.9%。这些发现为可生物降解聚合物血管支架提供了实用的设计指导。
心血管疾病，尤其是动脉粥样硬化斑块引起的冠状动脉疾病，仍是全球发病和死亡的主要原因之一。经皮冠状动脉介入治疗（PCI）结合支架植入已成为恢复血管通畅和改善心肌灌注的标准手段。支架经历了从裸金属支架（BMS）到药物洗脱支架（DES）的发展，显著降低了再狭窄率并改善了长期临床结果。然而，支架内再狭窄、晚期支架血栓以及支架断裂等机械失效仍制约其长期有效性。支架在扩张期间和扩张后的力学行为是决定临床性能的关键因素。理想的支架应提供足够的径向支撑，同时将对动脉壁的损伤降至最低。评估球囊扩张式支架力学性能的常用指标包括直径应变、弹性回缩、狗骨效应、短缩、纵向回缩和径向刚度等。这些参数描述支架的扩张能力、扩张均匀性、扩张后尺寸稳定性和结构完整性。支杆直径是众多设计参数中最关键的几何因素之一，但针对具有菱形单元结构的可生物降解支架，系统研究支杆直径对多个扩张指标影响的工作仍然不足。为此，研究人员在《Polymers》上发表了基于有限元分析的数值研究，探索支杆直径对球囊扩张式可生物降解PLA/PDO支架力学性能的影响。
该研究以60/40聚乳酸/聚二氧六环酮（PLA/PDO）共混物为支架材料，在相同扩张条件下比较了支杆直径分别为0.15、0.25、0.35和0.50 mm的四种菱形单元支架构型。通过有限元评估von Mises应力及五个扩张指标，结果表明增大支杆直径可降低弹性回缩、短缩和纵向回缩，增强扩张后尺寸稳定性，但同时增加狗骨效应，降低扩张均匀性。在四种构型中，0.35 mm直径支架表现出最均衡的响应，弹性回缩、短缩、纵向回缩和狗骨效应分别约为6.2%、10%、37%和8.9%。这些发现为可生物降解聚合物血管支架的设计提供了实用指导。
研究人员采用SolidWorks 2025建立支架三维几何，并导入Abaqus/Explicit 2020进行有限元分析。支架采用C3D10十节点四面体单元，网格尺寸0.1 mm；球囊采用SFM3D8八节点四边形表面单元，网格尺寸0.2 mm。支架材料为60/40 PLA/PDO共混物，其弹塑性参数取自Okereke等人实验表征结果；球囊假设为各向同性线弹性材料。模拟加载分为三个阶段：0–0.45 s线性扩张、0.45–0.55 s保持完全扩张、0.55–1 s球囊放气，从而模拟支架的弹性回缩。通过对比Okereke等人的数值结果进行模型验证，峰值von Mises应力差异仅5.8%，确认了模型的数值一致性。随后保持20 mm菱形单元支架的长度和拓扑不变，仅改变圆形支杆直径（0.15/0.25/0.35/0.50 mm），在相同边界和接触条件下进行参数化比较。
4.1 von Mises应力分布：通过分析四种直径支架在球囊扩张后的应力云图，发现在所有构型中最高应力均集中于支架冠部区域和连接桥处。随着支杆直径从0.15 mm增至0.50 mm，峰值von Mises应力从约80.49 MPa降至71.90 MPa，降幅约10.7%，且应力分布更均匀。
4.2 扩张与结构性能：通过模拟得到的直径应变和支架长度随时间变化曲线，发现所有支架在扩张阶段直径应变近似线性增加，放气后发生弹性回缩。0.15 mm支架最终直径应变约105%，回缩最大；0.50 mm支架最终直径应变约170%，回缩最小。支架长度在扩张时缩短，放气后部分恢复；0.15 mm支架最终长度约17 mm，恢复最大；0.50 mm支架最终长度约14.5 mm，恢复最小。四个结构指标中，狗骨效应随支杆直径增大而增加，从0.15 mm支架的约3.1%升至0.50 mm支架的13.6%；弹性回缩随直径增大而显著降低，从约27%降至4.8%；短缩从约85%降至5%；纵向回缩从约53%降至30%。这些结果表明，增大支杆直径可提高径向和轴向刚度，限制菱形单元变形，从而改善尺寸稳定性，但会促进扩张不均。
研究人员在讨论中指出，上述结果揭示了菱形单元支架中固有的设计权衡：增大支杆直径改善扩张后尺寸稳定性，但加剧狗骨效应。因此，合理支杆直径的选择需要在扩张均匀性与扩张后机械稳定性之间取得平衡。此外，模型假设（忽略血压和动脉壁、理想圆柱球囊、弹塑性材料不含粘弹性）会影响绝对数值，但相对趋势可用于几何参数比较。在定性比较下，0.35 mm支杆直径构型表现出良好扩张能力、低回缩、中等狗骨效应和高纵向稳定性，但该结果仅代表四种构型中的相对平衡，而非正式优化设计。
结论部分翻译：本研究表明，支杆直径是影响菱形单元可生物降解支架力学性能的关键几何参数。增大支杆直径可通过降低弹性回缩、短缩和纵向回缩，同时提高径向稳定性，逐步增强扩张后尺寸稳定性。然而，这些益处伴随着狗骨效应的逐渐增加，表明扩张期间径向扩张均匀性降低。这些发现突出了扩张后机械稳定性与扩张均匀性之间的固有设计权衡。因此，合适支杆直径的选择应基于这些相互竞争的力学特性之间的均衡折衷，而不是优化单一性能指标。在所研究的构型中，支杆直径为0.35 mm的支架在本研究采用的定性比较中表现出最均衡的响应。与较细支杆相比，它大幅降低了弹性回缩、短缩和纵向回缩，同时避免了0.50 mm设计中观察到的明显狗骨效应。因此，在本次研究的四种构型及所采用的数值假设下，0.35 mm构型代表了一种平衡的几何折衷方案，而非正式优化设计。这些结论应被理解为当前数值框架内的比较性设计趋势，而非临床性能的直接预测。
