Estudo de modelo equivalente para stents de Nitinol com efeito de memória de forma

Abstract

Os stents arteriais, ou endopróteses expansíveis, são de suma importância para a área da saúde, sendo essenciais no tratamento de algumas doenças vasculares, como a estenose. Um Stent consiste em uma estrutura, muitas vezes metálica, responsável pela manutenção de um canal arterial aberto, reestabelecendo o fluxo sanguíneo após o fechamento do vaso. Devido à grande complexidade que envolve o projeto e funcionamento desta estrutura, é comum o uso de análises de elementos finitos para a definição de seu comportamento mecânico e interação com os tecidos biológicos que o abrigam. Devido à grande complexidade das características envolvidas na solução numérica desse problema, é inviável a realização de tal análise de maneira completa. Fazem-se presentes na simulação não linearidades associadas a hiperelasticidade, viscoelasticidade, contato, elasto-plasticidade, comportamento de material com memória de forma, anisotropia, entre outros. A característica do contato entre o stent (estrutura delgada tipo viga) e a parede arterial (estrutura tipo superfície) particularmente impõe severas limitações de convergência devido seus efeitos localizados. Assim, o objetivo deste trabalho é propor um modelo equivalente de geometria simplificada de um stent comercial de nitinol, considerando um modelo material de memória de forma capaz de reproduzir o comportamento mecânico da geometria original. Para isso, primeiramente foi estudado a sensibilidade ao tamanho do modelo que poderia ser tomado como referência. Uma vez definido um modelo de referência adequado, foi realizado um ajuste de curvas através do uso de um algoritmo genético para encontrar os parâmetros de material que permitissem representar o comportamento mecânico de rigidez do stent, inclusive o efeito de carga e descarga no nitinol, caracterizando mecanicamente o componente. Devido à geometria escolhida, o modelo mecânico simplificado do stent fornece uma alternativa para a modelagem global da interação entre stent-artéria através da proposição do uso do contato superfície-superfície, reduzindo em boa parte o custo computacional do modelo e permitindo a inserção de todas as propriedades associadas ao comportamento arterial na realização de análises futuras.

Arterial Stents are greatly important for the human being’s health care, since they’re essential in the treatment of many vascular diseases, such as stenosis. A stent is a usually metallic structure that is responsible for maintaining the artery blood flow by holding its walls open. Due to the great complexity involved on designing and inserting such structure, it is common the use of finite element analysis in order to understand these structures and their behavior during their interaction with biological tissues and to determine their mechanical response. Due to the great complexity of the numerical solution for this problem, it is not viable to run a complete analysis, involving all the properties related to the problem. This kind of analysis involves some non-linearities such as hiperelasticity, viscoelasticity, elastic and plastic behavior, shape memory behavior and anisotropy, among others. The characteristic of the contact between the stent (thin beam-like structure) and the arterial wall (surface-like structure) particularly imposes severe convergence limitations due to its localized effects. Thus, the objective of this work is to propose an equivalent model with simplified geometry of a commercial Nitinol stent, considering a material model of shape memory alloy that is capable of reproducing the mechanical behavior of the original geometry. In order to achieve this, the sensitivity to the size of the model that could be taken as a reference was studied. Once a suitable reference model was defined, a curve fitting was performed using a genetic algorithm to find the material parameters that allow representing the mechanical behavior of the stent stiffness, including the effect of loading and unloading of the nitinol material, mechanically characterizing the component. Due to the chosen geometry, the simplified mechanical model of the stent provides an alternative for the global modeling of the stent-artery interaction by proposing the use of surface-to-surface contact, greatly reducing the computational cost of the model and allowing the insertion of all the properties associated with arterial behavior in the performance of future analyses.