《Advanced Engineering Materials》：Numerical Investigation of a Dual-Mode Shape Memory Alloy Stent Enabling Secondary Expansion via Focused Ultrasound: A Potential Strategy for Correcting In-Stent Restenosis
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这篇综述提出了一种创新的治疗支架内再狭窄（ISR）的概念：利用聚焦超声（FU）非侵入性地热激活预先植入的形状记忆合金（SMA）支架，使其发生二次扩张，从而恢复管腔通畅。研究通过多物理场数值模拟，验证了该方案在靶向加热、材料应力响应及血管安全性方面的可行性，为心血管介入治疗提供了一种无需二次手术的潜在新策略。
引言
1.1 临床背景与初始介入
冠状动脉负责向心脏供血，其管腔可能因斑块积聚而堵塞，导致动脉粥样硬化。临床上通过经皮冠状动脉介入治疗（PCI）在病变血管处植入支架，以机械支撑方式恢复血流。
1.2 金属支架类型及其展开机制
支架主要分为两大类：球囊扩张式和自扩张式。球囊扩张式支架是传统技术，通过球囊充压进行塑性扩张。自扩张式支架，常由镍钛（NiTi）形状记忆合金制成，在体温（37°C）下通过形状记忆效应（SME）自动恢复原始形状进行扩张。
1.3 支架术后并发症：支架内再狭窄
无论哪种支架，植入后都可能因血管损伤引发平滑肌细胞迁移和增殖，导致新内膜增生，使管腔再次狭窄，即支架内再狭窄。
1.4 聚焦超声作为治疗致动器
聚焦超声能够将超声波能量精确聚焦于目标区域，产生可控的局部温升（通常在41-45°C），为组织提供非侵入性治疗。研究表明超声可以诱发NiTi植入物温度变化，从而可能用于热驱动SMA支架。
1.5 先前研究与本研究的创新贡献
已有研究探索了利用FU驱动形状记忆聚合物（SMPs）进行药物递送，以及高强度聚焦超声（HIFU）诱导SMA变形恢复的可行性。本研究在此基础上，提出并数值验证了一种创新的“双模式”SMA支架概念：首先利用体温下的部分超弹性进行初次扩张，后续若发生ISR，则通过FU进行精准热驱动，实现支架的二次扩张，以非侵入方式纠正管腔再狭窄，同时解决机械性扩张不足的问题。
材料与方法
2.1 集成计算框架
采用COMSOL Multiphysics和ABAQUS CAE双平台建模策略。COMSOL用于模拟FU的声学-热学效应，ABAQUS则利用COMSOL计算的瞬态温度场作为边界条件，对SMA支架进行热-机械耦合分析。
2.2 超声模拟的模型几何与属性
建立了包含聚焦超声换能器、水层及皮肤、肌肉、胸骨、冠状动脉四层组织的二维轴对称模型。在COMSOL中，为了高效计算体积热效应，支架被简化为焦点处的实心圆柱体。各组织的声学和热学属性参数已从文献中获取并列出。
2.3 模型定义与方程
模拟分两步耦合物理场。首先，在压力声学模块中求解齐次亥姆霍兹方程，计算各组织层吸收的声能。其次，将声学热源Q代入生物热传递模块的Penne‘s方程，求解组织的温度分布随时间的变化。模型假设组织属性不随温度变化，并忽略了血液灌注效应。为平衡计算精度与成本，在焦点区域采用了比周围区域更精细的网格。
2.5 有限元分析材料属性
选择了一种具有“部分超弹性”行为的NiTi合金材料。这种材料在高于奥氏体结束温度时，加载-卸载循环后仍保留少量不可恢复应变，但该残余应变可通过温和的热激活完全恢复。这对应了支架在体温下初步扩张后，可通过FU加热进一步恢复形状。材料模型参数基于文献中的多机制SMA本构模型进行校准。
动脉组织被建模为各向同性、超弹性的均质材料，采用特定的应变能函数，其参数来自文献。
2.5.2 支架几何结构
采用开放单元、由正弦波环连接构成的菱形网格支架设计。其外径为3 mm，丝厚度0.1 mm，包含10个环。动脉模型长度为15 mm，内径2.4 mm，壁厚0.55 mm。模拟步骤包括：支架压握、植入动脉、体温下超弹性释放部署，以及后续三个阶梯式升温（39°C、41°C、43°C）的热致动阶段。
结果
3.1 超声模拟
3.1.1 声场求解
声场模拟显示，超声波束成功聚焦于目标区域，在焦点处记录到高达0.39 MPa的声压幅值。肌肉层后的胸骨层观察到衍射样模式，这是由于两层间声衰减特性差异较大所致。
3.1.2 生物热传递分析
FU产生了局限且可控的温度场，适合支架致动。照射15秒后，焦点区域温度从37°C升高至42.63°C，最大温升为5.63°C。焦点处的瞬态响应显示温度稳步上升并最终趋于稳定。距焦点5 mm处的径向温度剖面显示，即使照射20秒，对周围组织的热扩散也极小。计算得到的累积等效分钟热剂量（CEM43）为0.25，远低于软组织热坏死阈值（120-240 CEM43），表明在模拟参数下热损伤风险较低。
3.2 SMA支架热致动的有限元分析
3.2.1 形状恢复
材料模型在37°C下的应力-应变行为与实验数据吻合良好，准确捕捉了加载和卸载后存在残余应变的部分超弹性响应。温度升高至39°C、41°C和43°C时，模型预测形状恢复应力随温度升高而增加，残余应变减少。
模拟显示，在体温37°C下释放压握力后，支架凭借部分超弹性效应被动扩张，恢复了其原始直径的88.33%。随后在热驱动下，支架进一步扩张。最终在43°C时，支架实现了99.27%的最大直径恢复。与此同时，动脉内径从初始2.4 mm相应增加。从39°C到43°C，动脉直径每次仅增加约0.01 mm，表明主要恢复过程在约39°C时已基本完成。
3.2.2 应力评估
支架和动脉的应力响应显示，随着支架扩张并与动脉壁更紧密接触，应力模式发生演变。支架在连接点等局部区域存在应力集中，但从37°C到43°C的整体应力变化不显著。动脉壁的应力在支架部署后到39°C之间增加了约0.044 MPa，后续温升增加极小。整个模拟过程中，动脉承受的最大应力约为0.1 MPa，远低于人冠状动脉的拉伸强度（约0.39 ± 0.07 MPa）。
讨论
4.1 声学与热学性能
声场模拟成功将能量传递至目标，热场模拟显示温升稳定且高度局部化，符合非损伤性加热特征。计算得到的热剂量远低于安全阈值，证实了所用FU参数的安全性。
4.2 SMA支架形状恢复
有限元结果的准确性依赖于对NiTi支架热机械性能的精确描述。模型在37°C下对部分超弹性行为的良好再现，以及在升温下对恢复应力增加的预测，验证了其可靠性。支架和动脉直径变化的同步性，证明了载荷的有效传递和动脉的成功持续扩张。
4.3 应力评估
支架和动脉在热驱动阶段仅观察到了微小的应力增加，表明二次扩张过程在机械上是良性的，不太可能导致血管损伤。动脉壁所受应力远低于其失效阈值。
4.4 临床转化与临床背景
现有治疗ISR的策略主要针对新生内膜增生的生物学或结构学成分。球囊扩张成形术（POBA）简单但再狭窄率高。药物涂层球囊（DCB）和再次药物洗脱支架（DES）植入能抑制细胞增殖，但DES会额外增加金属层。血管内近距离放射治疗（ICBT）有效但设备、人员要求高且复杂。
本研究提出的HIFU介导的二次扩张方法，提供了一种无需新增金属层或放射暴露的、靶向且影像引导的机械性恢复方案。它还能改善初始手术中的支架扩张不全，从而从根源上减少ISR的发生。未来的临床转化需结合标准血管内成像技术来识别目标区域，并依据超声治疗安全框架进行热驱动操作。
支架的分阶段扩张行为（初始部分超弹性恢复，后续热触发形状记忆效应）体现了4D打印的原理。增材制造技术的进步使得制造具有定制相变温度和力学性能的复杂、患者特异性支架几何形状成为可能。
结论与展望
本研究为一种新型双模式形状记忆合金支架系统提供了一个概念验证框架，该系统通过可控、非侵入性的二次扩张来应对支架内再狭窄。该策略结合了体温下的部分超弹性和聚焦超声诱导的热致动。模拟表明，15秒超声辐照可使组织温度从37°C升至42.63°C，加热高度局限于靶区，对周围组织影响极小。有限元分析实现了NiTi支架在动脉内的连续热驱动扩张。支架和动脉中观察到的应力增幅微小，表明支架能保持机械完整性，且因过度拉伸造成组织损伤的风险较低。
37°C至39°C的即时扩张可单独用于ISR初期增加支架直径，也可如有限元分析所示进行阶梯式升温扩张。未来研究应考虑患者特异性方法。
精确的热控制对此概念至关重要，需将加热局限于局部，并与体温波动隔离。长期机械完整性也需验证。尽管本研究证明了热机械可行性，但生物热模型简化了体内环境（如忽略了血液灌注）。未来工作必须包括实验研究，以量化重复热驱动可能引发的生物效应（如促炎信号、组织重塑），并评估在生理脉动载荷下SMA支架的疲劳寿命以及组织包裹、斑块积累对超声能量传递和热致动效率的影响。
尽管存在这些局限，此项工作通过利用形状记忆合金的动态、刺激响应特性，为下一代心血管植入物开辟了一个有前景的方向。这一概念为未来研究可定制、非侵入性的支架管理策略奠定了基础，有望补充甚至减少重复介入手术的需求。
