血管支架內表面正六邊形微織構對血液流動特性的影響

鄭凱瑞，楊發展，趙國棟，卞東超，黃珂，林云龍

表面功能化

血管支架內表面正六邊形微織構對血液流動特性的影響

鄭凱瑞，楊發展，趙國棟，卞東超，黃珂，林云龍

（青島理工大學 機械與汽車工程學院，山東 青島 266520）

探究具有不同面積占有率的正六邊形凹坑微織構血管支架對血液流動特性的影響，探究微織構在抑制支架再狹窄中的作用。在管狀血管支架內表面設計具有不同面積占有率的正六邊形凹坑微織構，采用Ansys有限元分析方法探究不同面積占有率微織構的存在對其腔內血液流速的影響。帶有微織構的支架腔體內血液流速大于無織構的支架腔體內血液流速。在整個心動周期內，心臟收縮時微織構面積占有率為31.9%的血管支架腔體內的主流區血液流速整體上最快；心臟舒張時微織構面積占有率為11.2%的血管支架腔體內的主流區血液流速最快。在峰值時微織構支架下的血液流動方向會產生徑向跳動和擾動，血液流速產生了徑向分量，在近壁面處血液出現了擾動和不穩定流動現象，微織構面積占有率越大，壁面產生擾動的血液越多。在平穩時刻，近壁面血液會產生回流，在無微織構支架下腔體內正常流動的血液與回流區血液形成了漩渦，面積占有率越大，形成的漩渦越明顯。血管支架內壁微織構的存在可以減小血液的黏附和流動時所受到的阻力，提高血液的流速，同時可以使近壁面處血液更好地混合，有利于改善血液的流動狀態，降低再狹窄現象的發生概率，提高血管支架正常服務的壽命。

微織構；血管支架；近壁面；血流速度

近年來，隨著我國老齡化速度的加快，心腦血管疾病的發病人數逐年增加，給很多老年人帶來了很大的困擾。經臨床對比發現，目前支架介入治療是一種比較有效的手段[1]，但是支架置入血管后出現的再狹窄現象一直是影響遠期血液暢通率的主要因素，降低再狹窄率是支架介入手術后亟待解決的問題[2]。目前，醫院常用的支架有金屬裸支架、藥物涂層支架和可降解支架等[3]。據統計，金屬裸支架在置入體內12個月后發生再狹窄的概率為11%～30%[4]，采用藥物涂層支架可使再狹窄概率降低5%～10%[5]。隨著時間的延長，支架所攜帶的藥物消耗完畢后，仍存在狹窄概率高的問題。將可降解支架置入人體后，隨著時間的推移支架逐漸降解，可以避免支架永久介入引起的不良反應[6]，然而支架降解后血管頻發再狹窄問題仍然難以得到有效解決。解決介入手術后再狹窄概率居高不下的問題是當前醫學工程急需解決的難題。目前，針對血管支架的研究主要集中在材料、結構和表面改性等方面[7-9]。其中，支架表面改性主要通過在支架的表面制備涂層，以提高支架的生物相容性，進而達到降低再狹窄概率的目的[10-12]。然而，現階段的涂層支架存在涂層種類相對單一、涂層容易脫落等問題，涂層不能長時間發揮作用[13]。目前，關于在支架表面加工制備微織構的表面改性方式的相關研究還較少，針對血管支架的研究還有廣闊的發展空間。

微織構具有良好的表面疏水性、減摩降磨性能等。具有微織構的材料對血液的吸附性較弱，可以抑制血細胞的黏附，血液相容性良好[14]，由此可見，微織構的這些特性使其在醫學方面具有廣泛的應用前景。Donger等[15]在316L不銹鋼表面實現了超疏水織構化，并獲得了相對最佳的激光加工微織構參數，該研究結果在生物醫學領域具有重要的應用價值。鮑雨梅等[16]在醫用生物陶瓷涂層表面加工出了具有不同排列方式的橢圓形織構和不同面積占有率的圓形織構，采用數值模擬與實驗相結合的方法探究了微織構參數對生物陶瓷表面摩擦因數的影響，結果表明，面積占有率為25%的圓形凹坑具有相對最佳的減摩、降磨效果。Qiao等[17]研究發現，利用水射流引導的激光加工可用于304不銹鋼表面，以形成微織構，這些微織構可以使304不銹鋼表面獲得良好的疏水特性。Nikam等[18]在高速鋼圓盤上制備了圓形、三角形和方形微凹坑表面，將無織構圓盤和微織構圓盤分別置于蒸餾水中，通過測量液滴的接觸角發現，微織構表面表現出更好的疏水性，證明微織構可以改善材料表面的疏水性能。表面疏水性越好，材料的抗黏附能力、自清潔能力和血液相容性越好。Cockerill等[19]研究發現，微織構可以使鋅板表現出更少的血小板黏附性和更好的血液相容性。

基于上述研究結論，筆者創造性地將血管支架與微織構相結合，在血管支架內表面設計微織構。通過總結分析諸多學者對微織構面積占有率的研究，發現面積占有率在10%～30%之間時具有相對最佳的效果，因而文中設計了面積占有率分別接近10%、20%、30%的正六邊形凹坑微織構，具體的面積占有率分別為11.2%、20.4%、31.9%。文中重點采用數值模擬方法，探究不同面積占有率的正六邊形凹坑微織構對血流特性的影響，并揭示其機理，以期獲得最佳的織構參數，為新型血管支架的設計開發，改善血管支架的功能提供新的研究和開發思路。

1 方法

1.1 模型建立

采用SolidWorks繪圖軟件建立無織構血管支架和微織構血管支架模型。支架的幾何形狀為管狀，長度為10 mm，內徑為1.8 mm。微織構的形狀為正六邊形凹坑狀，深度為40 μm，設計的面積占有率分別為11.2%、20.4%、31.9%。正六邊形微織構在支架內壁均勻分布，其三維模型如圖1所示。

圖1 微織構血管支架

1.2 仿真參數設置

采用Ansys有限元分析軟件，選擇Workbench中的Fluent模塊進行純流體仿真計算。首先將模型導入Fluent的Geometry模塊中，抽取流體域，并將流體入口、出口和壁面分別命名為inlet、outlet、wall。在Mesh模塊中采用四面體網格劃分方式對血液流域進行網格劃分，對微織構處進行網格加密細化處理。將Setup模塊中的仿真參數設置如下[20-22]。

1）將血液視為不可壓縮的牛頓流體，密度= 1 060 kg/m3，動力黏度=0.004 Pa·s。

2）忽略血管厚度的影響。

3）心臟的搏動包括舒張期和收縮期，心臟每收縮和舒張1次構成1個心動周期，因而血液流速也會產生周期性的變化。血液流速隨時間的變化情況如圖2所示。

4）出口壓力為默認值。

2 結果與討論

2.1 對主流區血液流速的影響

由支架和血管支撐起來的腔體內的血液流速是影響血管再狹窄的關鍵因素。若血液流速過慢，一方面血液在流動過程中攜帶的氧不能及時補充給血管內的機體，導致其缺氧；另一方面容易導致血液中脂類等表面黏附力較強的物質黏附在血管壁上，致使血管逐漸變得狹窄，直至堵塞[23]。由此可見，探究微織構血管支架對血液流速及流動過程中的擾動作用對于降低植入后血管支架出現再狹窄的概率具有重要意義。對支架內中間平面的血液流速進行分析，將1個心動周期內不同支架下的主流區血液流速繪制成曲線，如圖3所示。從圖3可以看出，在1個心動周期內，同一時刻、不同支架下的血液流速略有差異，但主流區血液的流速隨著時間的變化趨勢與血流的脈動特性一致。無織構支架腔體內的血液流速整體小于帶有微織構支架腔體內的血液流速，同時發現不同面積占有率微織構支架腔體內的血液流速相差不明顯。在心臟收縮時，血管內的壓力增大，血液的動力較強，血液迅速由心室泵入主動脈[24]，使得血液流速較快，在0～0.1 s時血液流速呈上升趨勢，此時面積占有率為31.9%的微織構支架腔體內的血液流速較快。在峰值時刻（即0.1 s）時，面積占有率為20.4%微織構支架下的血液流速相對最大，為0.596 0 m/s；面積占有率為31.9%的微織構支架下的血液流速為0.595 8 m/s，與面積占有率為20.4%的支架下的血液流速非常接近。在心臟舒張期內，血管內的血壓降低，血流的動力減小，血液流速降低，并逐漸趨于平穩。從圖3可知，當流動至0.2 s后，面積占有率為11.2%的微織構支架下的血液流速較其他支架明顯加快。

圖2 不同時刻下的血液流速

圖3 1個心動周期內不同支架下的血液流速情況

在心臟收縮期，血液的流動速度較大，血液流速慣性力的作用大于血液間黏滯力的作用，進入微織構內的血液較少，微織構的疏水性使得血液受到壁面的摩擦阻力減小；微織構的面積占有率越大，血液的流速越快。可見在心臟收縮時，面積占有率為31.9%和20.4%的微織構血管支架內的血液流速較快。在心臟舒張期，血管內的壓力降低，血液的流速減小，在血液流經支架壁面時，進入凹坑織構內的血液增多，微織構面積占有率越大，儲存的血液越多，對血液流動造成的影響越大。由此可見，在心臟舒張期，微織構面積占有率為11.2%的微織構血管支架腔體內的血液流速較快。

在1個心動周期內，不同支架內峰值時刻（0.1 s）的主流區血液流速云圖見圖4。從圖4可以看出，采用無織構支架時，支架內中間平面血液流速云圖呈現規則的矩形；采用微織構支架時，可以明顯觀察到血液流速云圖在壁面處呈現凹凸不平的形態（如圖4b—d中的放大區域所示），云圖中的凸起部分為流經微織構處的血液。在峰值時刻，主流區的血液分布均勻，在入口處血液流速較低，而在支架內經過充分流動后，血液在出口處的流速明顯大于入口處的流速。除血液流速略有不同外，不同支架內腔體的主流區血液分布沒有明顯差異。

平穩時刻（0.4 s）不同支架下的血液流速云圖如圖5所示。由圖5可知，在0.4 s時，面積占有率為11.2%的微織構支架下的主流區血液流速相對最大，為0.180 5 m/s，相較于無織構支架下的主流區血液流速（0.177 4 m/s），提高了約1.75%。這是因為該時刻心臟處于舒張期，血液動力減小，流速變緩。在血液流經支架壁面時，進入凹坑織構內的血液相較于收縮期時有所增多。微織構面積占有率越小，凹坑織構內儲存的血液越少，對血液流動造成的影響越小，因而在平穩時刻，面積占有率為11.2%微支架下的血液流速相對最快。無織構支架下入口處的血液流速分布不均勻，不同流速下血液之間出現了明顯的波動（如圖5a虛線框中所示）。在微織構支架下入口處的血液分布狀態明顯優于無織構支架下的血液分布狀態，不同流速的血液在層與層之間分布更加均勻。不同面積占有率的微織構對入口處血液的分布狀態的影響不同，在微織構面積占有率為11.2%時，入口處分層血液與主流區血液間的分層呈現略微波動狀態（如圖5b虛線框所示）；當面積占有率為20.4%時，入口處最低流速層邊緣也出現了波動（如圖5c中虛線框所示），面積占有率為31.9%微支架入口端的血液層與層之間更加穩定。對比圖4和圖5可以看出，經過更加充分的流動后，平穩時刻下入口處的血液分層相較于峰值時刻更加明顯，此時的血液為更加充分的層流流動。血液在入口處的邊界層厚度很小，隨著血液在支架內的流動，邊界層厚度逐漸增加，在邊界層厚度由薄變厚的過渡處，血液的停滯區面積變大，血液主流區面積在支架入口端相對最大。隨著血液在支架內的流動，血液的主流區面積略有減小。

圖4 峰值時刻不同支架下血液的流速

圖5 平穩時刻不同支架下內腔體血液的流速

2.2 對近壁面血液流速的影響

當血液流速處于峰值時刻（0.1 s）時，近壁面血液流速矢量圖如圖6所示。從圖6可以看出，在無織構支架下近壁面處的血液分層明顯，壁面處的血液流速為0，血液流動方向與支架軸心方向一致。相較于無織構支架，微織構支架下的血液流動狀態明顯不同，在壁面處血液流線出現了波浪狀的擺動，該處的

血流方向出現了徑向跳動，血流速度產生了徑向分量。產生該現象的原因與微織構有關，微織構的存在改變了支架的幾何結構，支架內壁面不再是光滑的表面。當血液流經支架內壁面時，微織構破壞了血液平穩的層流關系，使得不同速度層之間的血液產生了混合。從圖6b—d可以看出，微織構面積占有率越大，單個織構的尺寸越大，對血液流動狀態的影響也越大，因而壁面處血液的擺動越明顯，血液混合的區域越多。在微織構支架下，近壁面的血液流速大于無織構支架下近壁面的血液流速，微織構的存在使得不同流速血液相互混合，這樣可以改善壁面處血液的停滯狀態，減少血液黏附。

圖6 峰值時刻不同支架下近壁面血液的流速矢量圖

無織構支架和面積占有率為11.2%、20.4%和31.9%的微織構血管支架橫截面血液流速云圖如圖7所示。由圖7可以看出，從支架軸心向兩側內壁面處的血液流速逐漸減小，近壁面處血液邊界層分層明顯。從圖7a可以看出，在無織構下血流區域的橫截面為圓形。由圖7b—d可知，與凹坑微織構接觸部分的血液呈凸起狀態，微織構面積占有率越大，血液流域中凸起部分的面積越大。在微織構支架下，與凹坑微織構接觸的血液存在大量流速為0的區域，說明該處并沒有血液流過，血液未完全進入凹坑微織構中，但微織構的存在增大了血液流域的面積。圖7b—d中紅色實線處為沒有微織構存在時的血液流域邊界，與無織構時的血液流域相比，微織構支架下的血液流域因部分血液進入凹坑微織構而增大，同樣的區域，在無織構支架下血液流速為零，在微織構支架下血液流速大于零，近壁面處血液的流動速度有所提高。微織構的面積占有率越大，與微織構接觸的血液越多，血液流域的面積越大，對提高近壁面處血液流速的作用越明顯。

平穩時刻（0.4 s）不同支架下近壁面血液流速矢量圖如圖8所示。與圖6相比，平穩時刻的血液流動狀態比峰值時刻的血液流動狀態更加復雜。在平穩時刻，心臟處于舒張狀態，血液流動的動力降低，血管內的壓力減小，導致近壁面的血液產生了回流[25]，回流區的血液由慢速血流組成。在無織構支架下，回流區血液的流動方向與中心處的血液流速相反，與支架軸心方向平行。在微織構支架下近壁面處血液的流動方向出現了徑向跳動，回流的血液與正常流動的血液形成了漩渦，微織構面積占有率越大，產生漩渦的區域越大，血液混合狀態越明顯。漩渦的產生改變了近壁面平穩的層流關系，血液變得混合無序，這種現象

發生在支架壁面處可以使不同流速的血液之間既流動又混合，改變了壁面處血液單一流速的現象，提高了壁面處血液的流速，緩解了血液的沉積現象，減小了血液的黏附。漩渦狀的血液將流體與固體之間的摩擦狀態由滑動摩擦變為滾動摩擦[26]，減小了血液流動過程中的摩擦阻力，增強了減阻效果。從圖8b—d可以看出，微織構面積占有率越大，漩渦的幅度越大，減阻抗黏附的效果越明顯，更有利于緩解血液沉積、減少血液黏附。

平穩時刻不同支架下橫截面血液流速云圖如圖9所示，與圖7對比可知，平穩時刻時的邊界層厚度明顯大于峰值時刻的邊界層厚度。這是由于邊界層厚度與血液流速有關，血液流速越快，邊界層厚度越小；血液流速越慢，邊界層厚度越大[27]。在平穩時刻下的血液流速相較于峰值時刻下的血液流速大幅降低，因此邊界層的厚度增加，此時血液主流區面積減小。平穩時刻微織構處的血液停滯區面積明顯小于峰值時刻下的微織構處血液停滯面積，說明血液空白區面積減小，有更多的血液進入凹坑微織構。微織構的面積占有率越大，血液與微織構的接觸面積越大，則進入微織構的血液越多，血液流速因更多的血液進入微織構而有所降低。從圖9中還可以看出，除了在最外層壁面處血液的流速為0外，在邊界層中也出現了血液流速為0的區域（圖9a—d中紅色虛線區域），在圖5中顯示為一條速度為0的線性區域（圖5中紅色矩形框所示區域）。結合圖8可知，該區域處于回流血液與正常流動血液之間，該處血液因流動方向的不同而分布不均，從而出現了血液停滯區。

血管支架內表面的微織構可以有效改善血液的流動狀態，減少脂類物質在血管中的沉積黏附，降低支架置入后再狹窄的概率，提高支架的使用壽命。微織構血管支架為新型血管支架的設計和研發提供了新的思路。

圖7 峰值時刻不同支架下血液流速截面

圖8 平穩時刻不同支架下近壁面血液的流速矢量

stent with an area occupancy of 31.9%

圖9 平穩時刻不同支架下血液流速截面

3 結論

在管狀血管支架內表面設計具有不同面積占有率的正六邊形凹坑微織構，采用有限元分析方法探究了不同面積占有率微織構的存在對其腔內血液流速的影響，研究結論如下。

1）帶有微織構的支架其腔體內血液流速大于無織構支架腔體內的血液流速。在整個心動周期內，當心臟收縮時微織構面積占有率為31.9%的血管支架的腔體內主流區血液流速相對最快；在心臟舒張時，面積占有率為11.2%的微織構支架下主流區血液的流速相對最快。

2）在峰值時，無織構支架下血液的流向與支架軸心方向平行，在微織構支架下的血液流動方向產生了徑向跳動與擾動，血液流速產生了徑向分量，近壁面處血液出現了擾動和不穩定流動現象。微織構面積占有率越大，壁面產生擾動的血液越多。

3）在平穩時刻，近壁面血液會產生回流，在無織構支架下正常流動和回流的血液流動方向均與支架軸心平行，在微織構支架下正常流動的血液與回流區血液形成了漩渦，面積占有率越大，形成的漩渦越明顯。漩渦使得血液與壁面之間的滑動摩擦變為滾動摩擦，從而減小了血液在流動過程中的阻力。

4）血管支架內壁微織構的存在改變了近壁面處不同流速血液之間平穩的層流關系，使得各流層間的血液出現了混合現象，有利于改善血液的流動狀態，進而提高壁面處的血液流速，可顯著降低血液中脂類物質等的沉積和黏附的概率，大幅提高植入血管支架的服役壽命。

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Effect of Hexagonal Micro Texture on Blood Flow Characteristics of Vascular Stent

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(School of Mechanical & Automotive Engineering, Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266520, China)

In recent years, there is a high incidence of cardiovascular and cerebrovascular diseases in China. The treatment methods mainly include surgery, drug therapy and interventional therapy. Surgical treatment is more traumatic, high risk, many adverse reactions of drug treatment, long treatment cycle, and the effect is not obvious. In contrast, interventional therapy has the advantages of safe operation, less surgical trauma, high success rate and less complications. At present, it has become the first choice for the treatment of cardiovascular and cerebrovascular diseases. The research report shows that the blood flow rate is the key influencing factor of restenosis after stent intervention in human body. If the blood flow rate is too slow, it is easy to deposit blood cells, lipids and other substances in the blood on the blood vessel wall, resulting in vascular blockage and restenosis over time. The work aims to study the effect of hexagonal micro pit texture vascular stents with different area occupancy rates on blood flow characteristics, and explore the role of micro texture in inhibiting stent restenosis. On the inner surface of tubular vascular stent, regular hexagonal micro pit textures with different area occupancy rates were designed, and the effect of micro textures with different area occupancy rates on the blood flow velocity in lumen was explored by Ansys finite element analysis method. The blood flow velocity in the lumen of the stent with micro texture was greater than that in the lumen of stent without micro texture. In a cardiac cycle, when the heart was contracted, the blood flow rate in the main flow zone of the micro-textured stent lumen with the occupancy rate of 31.9% was the fastest. When the heart was diastolic, the blood flow velocity in the main flow zone of the micro-textured stent lumen with the area occupancy rate of 11.2% was the fastest. At the peak, the blood flow direction in the stent without micro texture was parallel to the axis direction of the stent and the blood flow direction in the micro-textured stent produced radial runout and disturbance, the blood flow velocity produced radial component, and the blood near the wall showed disturbance and unstable flow. As the micro-textured area occupancy rate increased, more blood disturbed on the wall. At a steady condition, the blood near the wall flew back, and the blood flowing normally in the lumen of the stent without micro texture formed a vortex with the blood in the reflux area. The larger the area occupancy rate was, the more obvious the vortex was. The vortex changed the sliding friction between the blood and the wall into rolling friction, which reduced the resistance in the process of blood flow. The micro texture of the inner wall of the stent can reduce the resistance of blood adhesion and flow, improve the blood flow velocity, and make the blood near the wall better mixed, which is beneficial to improving the blood flow state, reducing the probability of restenosis and prolonging the normal service life of the stent.

micro texture; vascular stent; near wall; blood flow velocity

2021-09-13；

2022-01-11

ZHENG Kai-rui (1997-), Female, Master, Research focus: micromachining technology of tool surface texture

楊發展（1981—），男，博士，教授，主要研究方向為高速高效加工、刀具技術、微織構激光加工及作用機理。

YANG Fa-zhan (1981-), Male, Doctor, Professor, Research focus: high-speed and efficient machining, cutting tool technology, micro texture laser machining and mechanism.

鄭凱瑞, 楊發展, 趙國棟, 等.血管支架內表面正六邊形微織構對血液流動特性的影響[J]. 表面技術, 2022, 51(9): 280-287.

R318.08

A

1001-3660(2022)09-0280-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.09.000

2021–09–13；

2022–01–11

山東省自然科學基金（ZR2018PEE011，ZR2019MEE059）

Fund：Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2018PEE011, ZR2019MEE059)

鄭凱瑞（1997—），女，碩士，主要研究方向為刀具表面織構的微細加工技術

ZHENG Kai-rui, YANG Fa-zhan, ZHAO Guo-dong, et al. Effect of Hexagonal Micro Texture on Blood Flow Characteristics of Vascular Stent [J]. Surface Technology, 2022, 51(9): 280-287.

責任編輯：彭颋