本發(fā)明屬于植介入醫(yī)療器械設(shè)計(jì)，具體涉及一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控可降解植介入醫(yī)療器械降解性能的方法。

背景技術(shù)：

0、技術(shù)背景

1、可降解植介入醫(yī)療器械可避免永久性醫(yī)療器械長期留置在體內(nèi)引發(fā)的一系列問題，如慢性炎癥反應(yīng)、感染、異物反應(yīng)等；也可避免二次手術(shù)，減少患者痛苦和治療成本。目前研究中使用的可降解材料主要為可降解金屬和可降解聚合物，可降解合金主要包括鎂合金、鋅合金和鐵合金，可降解聚合物主要包括聚乳酸pla、聚乳酸-羥基乙酸plga、聚碳酸酯、聚己內(nèi)酯、聚羥基丁酸、聚乙酰谷氨酸等。在一定時(shí)間內(nèi)可降解植介入醫(yī)療器械提供支撐功能，植入體內(nèi)后逐漸降解被代謝吸收或排出體外，同時(shí)植入部位的組織器官進(jìn)行功能性重建，在器械降解完成時(shí)恢復(fù)生理功能。因此，一個(gè)好的可降解植介入醫(yī)療器械，其降解速率、降解周期、降解均勻度等降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)應(yīng)盡可能可控，使降解速率與組織重建速度相吻合。

2、然而，目前可降解植介入醫(yī)療器械普遍存在降解速率不可控、降解不均勻等問題，導(dǎo)致降解速率與自身組織恢復(fù)生長速率不匹配以及過早局部斷裂等問題，影響可降解植介入醫(yī)療器械的療效。若可降解植介入醫(yī)療器械降解速率過快，降解產(chǎn)物可能超出周圍組織可承受的最大限度，可導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生超敏反應(yīng)，影響植入效果及產(chǎn)生副作用；而且力學(xué)衰減過快，植介入體有效力學(xué)支撐時(shí)間與受損組織修復(fù)時(shí)間不匹配，受損組織尚未完全修復(fù)時(shí)植入體就已失去力學(xué)支撐。若可降解醫(yī)療器械降解速率過慢，可能導(dǎo)致藥物釋放不足或支持效果不佳，降低治療效果，且長期存在風(fēng)險(xiǎn)，增加感染、血栓形成等并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。

3、現(xiàn)有技術(shù)調(diào)控可降解醫(yī)療器械降解性能，主要是在器械設(shè)計(jì)過程中，通過調(diào)控合金化、材料涂層技術(shù)、調(diào)控高分子材料分子量和單體種類等方式來實(shí)現(xiàn)。但如何有效控制可降解醫(yī)療器械的降解速率、降解周期及降解均勻度等降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)，提升器械降解均勻性，仍舊是目前可降解植介入醫(yī)療器械研究的難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)解決的是現(xiàn)有技術(shù)難以有效控制可降解醫(yī)療器械的降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)，難以實(shí)現(xiàn)器械均勻降解的技術(shù)問題，進(jìn)而提供一種能夠控制可降解醫(yī)療器械的降解性能，使其降解速率與自身組織恢復(fù)生長速率匹配，同時(shí)有效提升降解均勻性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控可降解植介入醫(yī)療器械降解性能的方法。

2、本技術(shù)解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：

3、一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控可降解植介入醫(yī)療器械降解性能的方法，包括：

4、(1)基于公理設(shè)計(jì)方法提取可降解植介入醫(yī)療器械關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)；(2)針對(duì)不同可降解材料降解機(jī)制，建立腐蝕模型，定量計(jì)算不同結(jié)構(gòu)的降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)，所述降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)包括降解速率、降解周期和降解均勻度；(3)以臨床降解性能的要求為優(yōu)化目標(biāo)，且以關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)為幾何設(shè)計(jì)參數(shù)，使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法調(diào)控可降解植介入醫(yī)療器械的降解性能。

5、步驟(1)中，提取關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的步驟包括：

6、i.根據(jù)臨床使用目的與植入位置的解剖結(jié)構(gòu)約束，定義植介入醫(yī)療器械的用戶域；ii.將所述用戶域映射到功能域中形成頂層性能需求與倫理學(xué)約束，頂層性能需求映射到物理域中形成植介入醫(yī)療器械的頂層設(shè)計(jì)參數(shù)；iii.在所述功能域和物理域之間進(jìn)行z形映射變換，將植介入醫(yī)療器械的各項(xiàng)性能需求進(jìn)行分解，得到植介入醫(yī)療器械各項(xiàng)性能的葉級(jí)功能需求指標(biāo)，與葉級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)；iv.通過設(shè)計(jì)矩陣表示出植介入醫(yī)療器械的葉級(jí)功能需求指標(biāo)與葉級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)之間的映射關(guān)系，建立各層級(jí)的設(shè)計(jì)方程，使各層級(jí)性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)參數(shù)建立關(guān)聯(lián)；v.結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過敏感度系數(shù)和/或消減誤差比例對(duì)植介入醫(yī)療器械的葉級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的葉級(jí)功能需求指標(biāo)程度進(jìn)行測(cè)評(píng)，確定關(guān)鍵葉級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)。

7、進(jìn)一步的，對(duì)于定量的葉級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的葉級(jí)功能需求指標(biāo)的影響程度，用敏感度系數(shù)進(jìn)行衡量；對(duì)于定類的葉級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的葉級(jí)功能需求指標(biāo)的影響程度，用消減誤差比例進(jìn)行衡量。

8、步驟v中，所述倫理學(xué)約束實(shí)驗(yàn)包括數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)、力學(xué)實(shí)驗(yàn)、降解實(shí)驗(yàn)、材料學(xué)實(shí)驗(yàn)和生物相容性實(shí)驗(yàn)。

9、步驟(2)中的腐蝕模型包括基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的腐蝕模型和唯象腐蝕模型。

10、所述基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的腐蝕模型針對(duì)表面腐蝕機(jī)制的可降解材料，通過定義可量化材料損傷積累的標(biāo)量場(chǎng)損傷變量d，將材料降解過程幾何不連續(xù)現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧虾暧^力學(xué)性能的降低。

11、所述唯象腐蝕模型針對(duì)體腐蝕機(jī)制的可降解材料，通過體外力學(xué)加載，開展梯度應(yīng)力作用下的體外降解實(shí)驗(yàn)，建立材料降解過程中質(zhì)量丟失速率、應(yīng)力、降解時(shí)間之間的數(shù)學(xué)模型，并使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)擬合的降解模型進(jìn)行驗(yàn)證。

12、所述腐蝕模型通過abaqus軟件中用戶自定義材料本構(gòu)關(guān)系的子程序vumat實(shí)現(xiàn)降解過程中材料屬性的更新以及單元的刪除?；诮到饽Ｐ?，隨著降解時(shí)間變化，vumat子程序的損傷變量開始累積損傷，當(dāng)損傷累積到一定程度時(shí)，可降解植介入醫(yī)療器械的單元開始丟失，即開始降解。隨著服役時(shí)間的延長，可降解植介入醫(yī)療器械力學(xué)性能降低，直至發(fā)生斷裂。

13、步驟(3)中的所述結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法包括以下步驟：

14、a.基于腐蝕模型，建立葉級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)與降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)目標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系；b.將所述函數(shù)關(guān)系作為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法對(duì)葉級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化葉級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)；c.對(duì)具有優(yōu)化葉級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)的植介入醫(yī)療器械的降解性能進(jìn)行評(píng)估，如評(píng)估結(jié)果達(dá)到預(yù)期要求，確定優(yōu)化葉級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)為最優(yōu)葉級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)；如評(píng)估結(jié)果不滿足要求，根據(jù)評(píng)估結(jié)果再次調(diào)整葉級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)，重新進(jìn)行優(yōu)化，直到達(dá)到預(yù)期的降解性能。

15、步驟a中通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法，用腐蝕模型獲取已知信息建立所述函數(shù)關(guān)系。

16、本發(fā)明所述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控可降解植介入醫(yī)療器械降解性能的方法，其技術(shù)效果在于：

17、本技術(shù)使用公理設(shè)計(jì)方法提取可降解植介入醫(yī)療器械關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，通過靈敏度分析定量各項(xiàng)葉級(jí)功能需求指標(biāo)對(duì)葉級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，選取出關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。此外，基于有限元數(shù)值方法建立腐蝕模型，對(duì)可降解植介入醫(yī)療器械不同降解方式、生理載荷下的降解行為進(jìn)行分析，能夠計(jì)算降解速率、降解周期、降解均勻度降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)，預(yù)測(cè)其降解過程中的斷裂區(qū)域、斷裂時(shí)間，幫助進(jìn)一步了解生理環(huán)境中的降解行為，可為機(jī)器學(xué)習(xí)葉級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)與降解速率的關(guān)系提供大量數(shù)據(jù)樣本。同時(shí)，本技術(shù)將機(jī)器學(xué)習(xí)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法結(jié)合，以臨床對(duì)降解速率、降解周期、降解均勻度等降解性能的需求為目標(biāo)，對(duì)葉級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，為可降解植介入醫(yī)療器械降解速率調(diào)控提供方法。與體內(nèi)和體外研究相比，數(shù)值模擬研究能夠充分捕捉可降解醫(yī)療器械的降解行為，并且與僅基于體外實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)嘗試的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法相比，構(gòu)建結(jié)構(gòu)參數(shù)與可降解植介入醫(yī)療器械目標(biāo)性能之間函數(shù)模型的優(yōu)化方法更加科學(xué)有效，可以降低時(shí)間成本，提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效率，有助于指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員對(duì)可降解植介入醫(yī)療器械降解性能的調(diào)控，提供更合理、科學(xué)的依據(jù)。

18、作為優(yōu)選的實(shí)施方式，本技術(shù)中的腐蝕模型包括基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的腐蝕模型和唯象腐蝕模型，其優(yōu)點(diǎn)在于基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的腐蝕模型考慮材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能的關(guān)系，深入研究不同材料的腐蝕機(jī)理，能夠更加準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料的腐蝕速率和腐蝕行為；唯象腐蝕模型通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)規(guī)律建立模型，能夠簡化復(fù)雜的腐蝕過程，提供更直觀的理解和預(yù)測(cè)腐蝕行為的方法，在實(shí)踐中更加簡便和實(shí)用。同時(shí)，本技術(shù)優(yōu)選所述腐蝕模型通過abaqus軟件中用戶自定義材料本構(gòu)關(guān)系的子程序vumat實(shí)現(xiàn)降解過程中材料屬性的更新以及單元的刪除，優(yōu)點(diǎn)在于vumat子程序可以根據(jù)具體需求自定義材料本構(gòu)關(guān)系，定義材料屬性靈活性高，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的材料行為描述；同時(shí)可以實(shí)時(shí)控制材料屬性的更新和單元的刪除，模擬材料的降解過程，實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的材料行為的描述和模擬，提高降解模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，以簡單有效的方式實(shí)現(xiàn)了可降解醫(yī)療器械置入體內(nèi)后降解過程的模擬。

19、為使本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控可降解植介入醫(yī)療器械降解性能的方法的技術(shù)方案更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。