Únavové vlastnosti slitin s tvarovou pamětí s ohledem na jejich využití v medicíně

Ing. Michal Ackermann, Ph.D.

Doctoral thesis

Fatigue Properties of Shape Memory Alloys with Regard to Their Use in Medicine

Abstract:

This work deals with characterization of Nickel-Titanium shape memory alloy which is used for production of cardiovascular stents. Material tests such as Differential Scanning Calorimetry and tensile tests carried out under different values of temperature allowed for precise description of material's pseudoelastic effect. Moreover, fatigue tests of the alloy were done under two different values of temperature and its corresponding S-N curves were constructed. On the basis of experimental data, full range of loads which are imposed on stent during its life are studied using finite element method. In this part, loading a stent into catheter and its subsequent deployment in blood vessel was simulated. Following simulation of pressure pulse offered data about cyclic loading to which the stent is exposed when implanted into an artery. Thanks to previous simulation and known S-N curve of the material, durability analysis of the stent was done with use of nominal stress approach. In last part of the work, a device dedicated to cyclic testing of the whole stent-graft structure is constructed. Concept of the machine, together with corresponding calculations are shown. Outcome of this work is a fully operational machine at which eight stent-grafts can be tested at the same time. Pressure characteristics which acts inside mock arteries was experimentally verified to be similar to conditions in human body.

Abstract:

Tato práce se zabývá slitinou Nikl-Titan, která patří do skupiny materiálů s tvarovou pamětí a která se využívá k výrobě kardiovaskulárních stentů. Pro přesné určení pseudoelastického efektu dané slitiny byly provedeny různé materiálové testy, jako například diferenční scanovací kalorimetrie a tahové zkoušky materiálu, prováděné za různé teploty okolního prostředí. Dalším významným bodem této části byly únavové testy dané slitiny za dvou teplot okolního prostředí a následná konstrukce odpovídajících S-N křivek materiálu. Na základě experimentálních dat byly poté zkoumány účinky různých zátěžných stavů, kterým je stent vystaven během implantace a jeho následné funkce. Tyto úlohy jsou řešeny za pomoci metody konečných prvků. Konkrétně je v této části řešeno zmáčknutí stentu do katetru a jeho následná expanze v tepně. Dále se simulace zabývají odvozením průběhu napětí ve stentu během systolického/diastolického tlakového pulzu. Na základě těchto dat a díky znalosti S-N křivek je poté provedena analýza životnosti stentu pomocí metody nominálních napětí. Poslední část disertace se zabývá konstrukcí zařízení, které slouží k testování celé struktury stent-graftu. V práci je zmíněna koncepce zařízení a dále jsou uvedeny odpovídající výpočty vedoucí k odvození jeho potřebných součástí. Výsledkem je zařízení, na kterém je možné najednou testovat až osm vzorků. Po dokončení zařízení byl experimentálně ověřen průběh tlaku v modelech tepen.

Keywords

Slitiny s tvarovou pamětí, Únava materiálu, Biomechanika, MKP, NiTi, Stent.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 24. 7. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 19. 2. 2016
• Supervisor: doc. Ing. Lukáš Čapek, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechanical Engineering

Doctoral programme / field:
Mechanical Engineering / Applied Mechanics