具有J形本构关系的气管支架结构设计与力学分析

目的气管支架移位、气管肉芽组织增生等并发症的发生,与气管支架的线性本构关系和天然气管的J形本构关系之间的力学性能不匹配有关。本文探讨如何设计一种具有J形本构关系的气管支架,实现气管支架和天然气管之间的力学性能匹配。方法依据负泊松比结构的本构特性,设计了一种由1个中心圆环和4条波浪形韧带组成的支架单元。利用控制变量法构建不同结构参数(韧带起点角度、圆环宽度、韧带宽度、圆环半径)的支架单元。利用有限元法分别对支架单元和支架整体进行拉伸模拟,分析结构参数对支架力学行为的影响。结果不同结构参数下支架单元拉伸模拟的本构关系曲线均呈J形;随着韧带起点角度从15°增大至60°,本构关系曲线逐渐左移;随着圆环宽度从0.3 mm增大至0.7 mm,本构关系曲线无显著变化;随着韧带宽度从0.15 mm增大至0.35 mm,本构关系曲线逐渐上移;随着圆环半径从1.1 mm增大至1.9 mm,本构关系曲线逐渐右移。5种不同韧带起点角度的支架整体拉伸模拟的本构关系曲线均呈现J形,本构关系曲线变化趋势与支架单元一致,且支架具有负泊松比效果。结论所设计的气管支架具有J形本构关系;调整不同结构参数可以呈现不同的力学行为,从而能够实现与天然气管的J形力学特性的匹配。