冠動脈ステントに求められる力学特性とその評価
榎学

めに冠動脈に留置されるステントである．冠動脈ステントは.

は じめに

通常約 10～50 mm の長さであり，直径は 2.0～5.0 mm である．また，ストラットの厚さは約 0.1 mm である．疾患部位

冠動脈性心疾患とは，心筋やその周りの組織に血液を供給までデリバリーして留置するため，ほとんどの冠動脈ステンする冠動脈での血流が悪くなり，十分な血液が供給されない

トの内側にはバルーンカテーテルが備え付けてある．疾患部ために起こる疾患である．冠動脈性心疾患は主に，アテロー位までステントをデリバリーした後，水圧を用いてバルーンム性動脈硬化によって引き起こされる．これは，冠動脈内にを膨張させ，同時にステントも拡張されて血管を広げる．最脂肪物質やプラークが蓄積する状態であり，脂肪物質やプラ後にバルーンを縮ませてバルーンカテーテルを抜き取り，スークは長い時間をかけて成長し，血流を妨げたり，突然プラテントのみを留置する．ステントは留置後，血管を内側からークが破れて血管内で血液が固まって動脈の内腔を塞ぐ場合支え続ける．ステント治療は，バルーンによる血管形成術でもある．さらに血栓が細い動脈に詰まることで，血流を遮断の問題点であった再狭窄を大幅に減少させた(3)．適切なステし重要臓器への酸素や栄養成分の輸送に障害をきたすことがントの拡張と，抗血小板物質による治療によってステントにある．これは心臓発作，鬱血心不全や多くの心臓血管疾患をよる血栓症の発生を減少させることができる(4)．近年，ドラ含む様々な心疾患の要因となる．近年，急増する狭心症に対ッ グ 溶 出 型 ス テ ン ト ( DES: Drug Eluting Stent ) が 開 発 さしてステントによる経皮的治療法が広く利用されている．経れ，多く用いられている．DES は，金属のみからなる BMS皮的冠動脈インターベンション(PCI: Percutaneous Corona-(Bare Metal Stent)の表面に，細胞増殖抑制効果のある薬剤

ry Intervention )は，狭心症や心筋梗塞によって狭窄した冠を含有したポリマーをコーティングしたものである．これま動脈の病変に対し，経皮的にカテーテルを挿入して疾患部位での報告によれば，DES は再狭窄率を 20～30から数まを拡張させることにより血流を確保する治療法である(1) ．

で減少させる効果をあげている．

PCI は，開胸して冠動脈バイパス手術を行なうよりもはるか

しかし，ステント留置後に脈動による繰り返し負荷を受けに侵襲が少ないため，外科的な治療を受けることなく多くのて破壊するケースが報告されている(5)．また，留置後に血管患者が救われるようになった．初期の PCI では，バルーンが再狭窄を起こすケースも報告されている(6)．再狭窄を抑えを取り付けたカテーテルを用いて，バルーンが病変部位に到るために DES が開発されたが，ポリマーコーティングに欠達した後にバルーンを拡張させて冠動脈を拡張させる方法で損が生じるケースも指摘されており，ステントの破壊によるあった．しかしながら，バルーンによって冠動脈が解離して再狭窄の問題は依然として残っている．心臓付近に移植した急性閉塞を来たすことがあり，また数ヶ月後に治療部位が再ステントは高い確率で疲労破壊を起こす．再狭窄を防ぐため狭窄を起こし，再度バルーンによる治療が必要となる場合もにも，ステントの疲労挙動を理解することが重要である．

あった．バルーンによる血管形成術の欠点を補う方法として

.

ステント治療が開発された(2)．一般的にステントとは，金属製の網状のチューブであり，これを狭窄した血管部位に挿入して内側から血管を広げ，支えることによって血流を確保す

構

ステントの構造・材料・特性造る機器である．現在，ステントは冠動脈や胆道，食道，脳血ステントは拡張機構によって，自己拡張型ステントとバル管といった様々な部位に適用されており，世界で広く利用さーン拡張型ステントの二種類に大別される．自己拡張型ステれている．

ントは，一般にニッケルチタン合金(NiTi)などの形状記憶

冠動脈ステントとは，その名の通り，心疾患を治療するた合金を用いており，バルーンによる拡張を必要としないのが東京大学大学院工学系研究科マテリアル工学専攻教授(〒1138656 東京都文京区本郷 731)
Mechanical Properties Required for Coronary Stents and Their Evaluation; Manabu Enoki (Department of Materials Engineering, TheUniversity of Tokyo, Tokyo)
Keywords: coronary stent, fracture, fatigue, finite element method, fatigue safety factor, tension, torsion, acoustic emission
2016年 2 月 3 日受理[doi:10.2320/materia.55.147]

ま て り あ 第55巻 第 4 号(2016)
Materia Japan大きな特徴である．自己拡張型ステントは，カテーテル先端性を必要とする一方，脳動脈瘤の血管内治療に用いられるスに折り畳んで収納された状態で血管内に挿入され，疾患部位

テントでは血管損傷を防ぐために半径方向の剛性は低くするでカテーテル先端からステントを押し出し，ステントの自己必要がある．多岐に渡る治療部位に応じて様々な種類のステ拡張能によって血管内膣を形成する．NiTiは数のひずみントに対して力学試験や解析による研究が行われている．冠が生じても，熱を加えることでひずみが取り除かれ，元の形

動脈ステント治療の目的は狭窄した血管を広げ，内側から支状に戻るという超弾性の特性を有しており，形状回復ひずみえることであり，以下のような機能が要求される．

は最大で 10 である．この性質を利用し，体温環境下にお柔軟性に富むことステントは疾患部位へ到達するまいて血管を内側から支え続ける．自己拡張型ステントは柔軟性に富むため，長区域あるいは屈曲病変に適しており，抹消で，大腿部や上腕部を通って屈曲した血管中をデリバリー血管や胆管，消化管に用いられるケースが多い．

される．デリバリー用カテーテルに設置されたステント

一方でバルーン拡張型ステントは，拡張の際に弾性・塑性は，疾患部位へ到達するのに十分な柔軟性を有さなければ変形の両方を受ける．バルーン拡張型ステントは自己拡張型ならない．また，屈曲した血管内に留置される場合には，ステントに比べて，血管内での正確な位置決めが可能であ

血管壁を傷つけないように血管の形状に追従できる構造がり，予め決めた目的の径まで拡張できるという利点を有して要求される．

いる．自己拡張型ステントはバルーン拡張型ステントに比べて再狭窄率が高いことが報告されており，その割合は自己拡は，血管壁が狭窄しないように支えることである．従っ

張型ステントでは 40以上，バルーン拡張型ステントではて，ステントは必要な直径を保持するのに十分な強度を有20 ほどであった(7) ．人冠動脈に初めて留置されたステンすることが望まれる．

トは自己拡張型ステントであったが，最近では市販の冠動脈

ステントのほとんどがバルーン拡張型ステントである．

置するためには，直径または長さの短縮率は最小限でなけ

現在では多くの構造の異なるステント製品が存在する．ス

径方向の強度が高いことステントの基本的な役割

最小限のリコイル正確な拡張径で，正確な部位に留ればならない．

テントは網目状のチューブの構造を有しているが，その製造

方法は 3 種類に大別される．金属のチューブをレーザービため，拒絶反応を起こさないよう，ステントの材料は高いームによって網目状にカットして形成したもの，一本の金属生体適合性を有することが必要である．

ワイヤーを編んで形成したもの，短いセルをレーザー溶接に



よって連結したものがある．レーザーカット型ステントはマ

境は腐食が起こりやすいため，耐腐食性を有する材料でなルチセル・クローズセル構造を有する．セル連結型ステントければならない．

はオープンセル構造を有する．






材料

高い生体適合性ステントは長期間体内に留置される

耐腐食性体液中に含まれる物質により，人体内の環ステントの体積が小さいことデリバリーシステムに設置されたステントは，デリバリー中，もしくは留置後に，血流を乱すことがないように小さな体積であることが以前のステントは SUS316L のようなステンレス鋼から作必要となる．ストラットの厚さを減らすことによって，スられていた．これは，オーステナイト系のステンレス鋼は強テントの体積を減少させることができるが，蛍光透視像に度，延性，耐腐食性などにおいて優れていたからで，その安よって確認できなければならない．

定した品質と加工性の高さから多くの移植器具の素材として用いられた(8)．しかし，近年になってから，より生体適合性トが破壊を起こす場合がある．脈動付近へ留置されたステが高く，耐腐食性，力学特性においてもステンレス鋼より良ントは高い割合の破壊が報告されている．ステント破壊はいコバルト合金(MP35N，L605)が広く用いられるようにな医師らの高い関心を集めており，これまでに多くの症例やった．コバルト合金は蛍光透視法によって見えやすいため，研究が報告されている(11)(16) ．通常，ステント破壊は留良好な疲労特性ステント治療では，留置後にステン従来のステンレス鋼に比べてより薄い厚さのストラット構造置後数ヶ月経過した後に発生する．しかし，留置後 2 日が可能である．他にも，降伏応力・延性・放射線不透過性等以内に発生した DES の破壊も報告されている．オープンを向上するため，クロムを含有する鉄マトリックスにプラチセル構造のステントよりも，剛性の高い構造のステントがナを付加したプラチナクロム合金を用いたステント製品も販破壊を起こしやすい傾向にあるという報告もある．

売されている(9)．また，生体分解性の高いステント材料としてマグネシウム合金が注目されている(10) ．強度の低さや分血ステント破壊の原因は以下のように考えられている．

解速度が速すぎることの課題があるが，生体分解が行われれ

 ステントの材料・構造・体積， ステ
管の運動やねじれ，ばステントの除去等の必要もなくなり，患者の負担軽減に繋ントを留置する際における技術的な要因．冠動脈ステントががるため，強度の改善や分解速度のコントロール方法につい破壊をきたす割合は，論文によって様々であり，数と高いて多くの研究が行われている．

数値の破壊の割合が報告されている．ステントの破壊は起こ

特性

ステントの用いられる部位によって求められる性能も異なる．冠動脈ステントでは血管保持のために半径方向に高い剛ったとしても直接患者の命を脅かすことにはならないが，血液と破断面の間の生体反応による再狭窄のリスクを高める可能性が懸念されている．このため，良好な疲労特性を持つステントの設計が求められている．

ミ ニ 特 集.

ステントの疲労特性評価

疲労においては 4 種類のステントの中では，Sstent の疲労
寿 命 が最 も 短 く， 他 の 3 種 類 が同 程 度 とい う 傾向 と な っ

前節で述べたように，ステントに対しては様々な力学特性た．このようにステントの疲労特性は荷重方向によって異なが要求される．まずステントには患部までデリバリーする際る傾向を示すという結果を示しており，留置された部位でどの柔軟性が求められており，バルーンに付いた状態での拡張のような負荷モードを受けるかによりその寿命が大きく異な前のステントの適度な柔軟性が必要である．また，留置後にることがわかる． DES のコーティング膜が薄いこともあ

おいては血管の拡張を維持するための径方法の十分な強度がり，疲労特性への影響は見られなかった．

必要である．しかし，上記で述べたようにステント挿入後に有限要素法(Finite element method; FEM)は，数値解析手疲労破壊が頻繁に起きる事例が報告されている．これまで様法の 1 つであり，構造解析分野において広く使用されてい々な材料や構造のステントに対して，長軸方向に対する疲労る(19)．FEM では，構造体は複数の節点をつなぎあわせた要強度と径方向の剛性が評価されてきた．ただ，ステントには素で表現され，複雑な幾何学構造を離散化して解析する．

血管内において様々な荷重がかかるため，様々な力学試験やAbaqus を用いてステントの 3D ソリッドモデルを構築し，応力解析に基づいたステントの信頼性評価が重要である．長軸方向の疲労負荷以外にも，心臓の拡張の不均一性から血管内においてステントが円周方向にねじられているという事も報告されており，円周方向の疲労特性も考慮する必要がある．数種類のステントのねじり疲労特性を実験的・解析的手法によって比較・評価を行った(17)(18)．
BMS である Sstent, Integrity, OMEGA, Multilink8と ， そ れ ぞ れ の ス テ ン ト デ ザ イ ン を 持 つ DES で あ るNOBORI, Resolute Integrity, Promus
XiencePREMIER,Xpeditionなどを用意した(表)．長軸方向およびねじり方向繰り返し疲労特性を調べた．ステントはワイヤが多点で結合されているので，1 カ所が破壊しても変位や荷重に対する変化は小さい．そこで最初の破壊を精度よく検出するために，圧電素子(AE)センサーを治具に取り付け，破断に付随する信号を検出し破断繰り返し数を求めた(図)．まず引張負荷に対する疲労特性のステントの長さ依存性を調べたところ，ステントの長さには依存しないことが分かったので，各ステントの 2 リンク分だけ拘束しない状態で試験を行った．次に各ステントを 4 リンク分に切断した試料に対してねじり疲労試験を行った．実験を行う際，各ステント長が 2 リンク分になるよう治具を用いて固定した．また，ねじり疲労試験(直径 3.0 mm ，最大角度 3 ～ 12 °, 1 Hz ～ 5 Hz,R＝－1, 0)を行い破壊繰り返し数を測定した．結果のプロッ

図1

ステントの疲労試験の実験装置の模式図．破断を検出するために AE 計測を行った．(a) 引張疲
労試験，(b) ねじり疲労試験．

図2

ステントの長さ(リンク数)と最大角度を変えてねじり試験を行った．ねじりパラメータを用いることにより，疲労特性は整理することができる．

トは，ねじりパラメータ Tmax＝Du/L を用いて行った．ここで D はステント直径，u はモーターの回転角度，L は治具間のステント長である． Integrity のリンク数を変化させてねじり疲労試験を行った(図)． 2 リンクで試験を行った時の結果は，ステント長を 4 リンク，8 リンクに変化させた場合の結果と一致した．この結果から，ねじりパラメータを用いた疲労試験の結果整理は妥当であった(図 2)．図および図に 4 種類のステントに対する引張およびねじり疲労試験の結果を示す．引張疲労試験においては MULTI LINK 8の疲労寿命が最も短いという傾向が示された．一方，ねじり表1

ステント試料の材料と製造会社．

ステント

SstentIntegrity
MULTILINK8OMEGA

材

料

SUS316L
MP35N
L605
PtCr 合金

ま て り あ 第55巻 第 4 号(2016)
Materia Japan

製

造

Biosensors
Medtronic
Abott Vascular
Boston Scientific図3

種々のステント(Sstent, Integrity, OMEGA,Multilink8)の引張疲労試験の結果(応力比 R ＝0.1)．

図4

種々のステント(Sstent, Integrity, OMEGA,Multilink8)のねじり疲労試験の結果(応力比 R＝0)．

図5(a) ステントの 3 次元形状を考慮したメッシュモ
デルの例，(b) 応力分布の計算例．

図6

種々のステントのワイヤモデルの例，(a) Sstent, (b) Integrity, (c) MULTILINK 8, (d)OMEGA.

図7

ステントのバルーンへの装着および患部への留置を模擬した強制変位の履歴の例．この場合はもとも と 2.8 mm 径 で 作 製 さ れ た ス テ ン ト を ， 1.2mm に圧縮してバルーンに装着して，患部へ留置後に適性な径に拡張することを想定している．さらにこの後に，繰り返し負荷による応力分布の計算を行う．

様々な境界条件によってその応力分布や変位などのシミュレーションを行なうことが可能である(17)(20)(例えば図)．しかし，ソリッドモデルは計算量が膨大になり，複雑な構造のステントに対してはシミュレーションを行うことが必ずしも容易ではない．ソリッドモデルの代わりに 3 次元モデルを 2次元的な領域で変形する薄肉梁要素でメッシュしたモデルであるワイヤモデルを用いることでも，より複雑な形状を持つステントに対して様々な境界条件においてシミュレーションを行なうことが可能である(18)．そこで，梁要素を用いて近似した各ステントのワイヤモデル(図)を作成し，引張およびねじりに対する応力分布の計算を行った．疲労破壊の危険性についての指標である疲労安全因子 FSF ( Fatigue SafetyFactor)を用いた計算結果を実験結果と比較した．
1sa sm＝ ＋FSF sfat sT(1)

ここで，sfat は材料の疲労限度，sT は材料の最大引張応力を必要がある(図)．実際に疲労試験において疲労破壊を起こ示し，sa および sm はそれぞれ繰り返し負荷による応力振幅したステントの位置と，同条件下で応力計算を行った際のおよび平均応力である．1/FSF＞1 のとき，その部分で疲労

1 / FSF 分布の最大値を示す位置を比較すると，それらの位破壊を起こす危険性があると考えることができる．応力分布

置はほぼ一致していた．さらに，実験結果および計算結果か計算にあたっては，ステントは一度バルーンに圧着された後ら FSF の最大値と破断繰り返し数をプロットすると，正のに，患部で拡張させられるという履歴をとることを考慮する相関関係が見られた(図)．このことから，繰り返し負荷をミ ニ 特 集

文

図8

4 種類のステントに対して，応力比 R ＝ 0.1 ，最大ひずみ emax ＝ 0.2 の条件で引張疲労を与え破断繰り返し数を測定した．同じ条件で有限要素法を用いて応力分布を計算し FSF を求めた．両者には強い正の相関があることがわかる．

受けるステントの応力分布を計算しておくことにより破断寿命の予測が可能であると言える．

.

お わりにステントにおいては種々の力学特性が要求される．その中でも疲労による破断は留置した後のステントの機能の喪失につながるものであり重要な特性であると言える．種々のステントの引張とねじりの疲労特性を調べた結果，その疲労特性は構造・材料に強く依存することがわかった．すなわち，ステントの選択にあたっては，実際にステントにかかる負荷を知らなければ，どのステントの寿命が長いかを言うことは難しい．しかし実際には，留置後のステントに対する負荷およびそのモードは不明である．ただし，有限要素法を用いてステントの応力分布を求めておくことにより，負荷モードを仮定すれば疲労特性をある程度予測できることがわかった．
現在，設計した構造物や部品等の有限要素モデルに対して，反復試行を用いて設計の改良を行う構造最適化が注目されている．構造最適化により，軽量かつ耐久性の高いデザインを得ることが出来ることが報告されている．留置後のステントが晒される力学的環境は患者の冠動脈の形状や留置部位によって異なるため，最適なステントの選択が必要である．

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有限要素解析を用いれば，特定の境界条件において引張・ね★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

じり方向の特性についてデザインの最適化を行い，体積変化

1989年 東京大学大学院工学系研究科博士課程修了
1989年 東京大学先端科学技術研究センター助手
2000年 東京大学大学院工学系研究科助教授
2009年から現職
専門分野非破壊評価，破壊力学，材料信頼性学◎先進的なアコースティック・エミッション(AE)計測手法の開発，材料の損傷検出のためのセンサシ
ステムの開発，微視変形・破壊の解析による構造信頼性評価に従事．

率や境界条件に対してステントデザインがどのように変化するか調査することができる．トポロジー最適化では，設定された規定条件(境界条件や荷重など)に対し，制約条件(体積の最大値や最大変位等)の元で初期モデルから選択された領域内の要素を削除して行く事で最適化を行うことが可能であり，今後は実験結果と比較することによりデザインの最適化

榎学★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

を行うことが期待される．

ま て り あ 第55巻 第 4 号(2016)
Materia Japan