一种构建节段性个体化人体尿道三维支架材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于医疗技术领域，涉及一种医学上人体组织支架材料的构建方法，尤其涉及一种利用三维超声影像学工具、三维打印技术并结合倒膜工艺及生物材料制备技术构建节段性个体化人体尿道三维支架材料的方法。
【背景技术】
[0002]在近十年的时间中，对于复杂情况下尿道狭窄治疗的关注度正呈现出持续升温的态势。虽然目前临床上对尿道修复替代手术的金标准仍是采用例如阴茎皮瓣、颊黏膜、舌黏膜乃至结肠黏膜等多种自体组织进行重建。但是组织工程理念在该领域的引入，使这一金标准的地位受到越来越大的冲击。国内外一系列基础与临床研究的成功报道，越来越明显的表现出其有可能成为下一代临床治疗金标准。而随着尿道组织工程领域的深入研究，作为其中重要组成部份的生物材料的研发也正经历着深刻的变革，其主要表现之一即为生物材料的制备由传统的均一化模式向针对患者的个体化模式发展。如能将这一问题进行很好的解决，有望进一步推动尿道组织工程技术向临床应用的加速转化。
[0003]作为下一代尿道修复重建的生物材料，个体化特征是一项不可获缺的设计标准。根据患者的组织特征来个体化制备支架材料，不仅可以使成品材料的适用范围几乎拓展到所有病患，而且由于材料和患者自身结构的高度拟合，最终的治疗效果也可以得到提升。以往在尿道修复重建组织工程研究中所采用的脱细胞基质或人工材料，仅能够在植入前进行简单的形态裁剪，无法达到真正意义上的个体化目标。而3D打印技术的兴起和发展，使得个体化制备成为了可能。通过各类影像学技术可精确获得目标脏器的3D结构，再结合后期的数字化模型处理，即可在3D打印机中高精度的打印出所需要的脏器模具以供后期材料置入塑形，乃至直接打印出可用于临床使用的个体化材料。目前通过这一技术，已在口腔、骨科等多学科领域中实现植入材料的个体化。然而尿道修复材料个体化制备领域的研究仍是空白，其问题在于缺乏实用的数字化模型处理技术，其不仅包括对尿道三维结构信息进行有效收集的影像学技术，也包括对所获得的数字化模型进行精细化加工及还原的后处理技术。
[0004]在对尿道三维组织结构进行数据收集方面，目前其它领域常用的MDCT或者MRI技术并非理想的收集模式。真正意义上的尿道组织不仅应当包括尿道粘膜，还应该涵盖其下方的尿道海绵体组织。增强CT虽然拥有着超高解析度以及薄层取像等诸多优点，但受限于其对软组织结构的低分辨率，在获取尿道组织图像信息时仅能分辨出尿道管腔的黏膜层，无法有效获得海绵体组织的图像信息。而MRI技术虽然能够对软组织拥有较好的显示效果，但是其成像效果略低于MDCT。更为重要的是由于MRI的特性，其适用范围受到一定限制，无法做到患者全覆盖。
[0005]在完成尿道组织三维建模后，如要制备出与体内尿道高度拟合的支架，还必须对3D打印的实体模型进行倒模处理，并在此基础上在倒模后的模具内置入类似丝素蛋白或者细菌纤维素等一类生物合成材料，通过体外的自组装原位成形机制所形成的最终产物，具有独特的超细纤维网络结构。目前对于尿道三维材料的立体构建多依赖于静电纺丝技术或者是直接的胶原三维打印技术来完成。但是前者无法在宏观尺度上真正达到所谓的个体化尿道的标准，而后者虽然可以达到宏观上的个体化仿真，但是在微观尺度的结构调控上很难达到精准控制的目标。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明提供了一种利用超声影像学工具、三维打印技术并结合倒膜工艺及生物材料制备技术构建节段性个体化人体尿道三维支架材料的方法。
[0007]为达到上述目的，具体技术方案如下:
[0008]一种构建节段性个体化人体尿道三维支架材料的方法，包括以下步骤:
[0009]步骤1，利用三维超声技术获取患者的薄层阴茎整体影像学信息；
[0010]步骤2，利用手工勾勒法筛选出整体影像学信息中的待构建图像区；
[0011]步骤3，利用三维技术对待构建图像区进行三维重建并处理，构建出可共360度观察的个体化尿道三维数字模型；
[0012]步骤4，将个体化尿道三维数字模型导入三维打印机中进行打印，制备出实体化节段性具有个体特征的尿道模型；
[0013]步骤5，将尿道模型经过硅胶倒膜工艺进行倒膜处理后构建出可供材料充填的硅胶模型；
[0014]步骤6，将填充材料置于硅胶模型中进行重组，构建出具有个体化特征的人体尿道三维支架材料。
[0015]优选的，所述步骤I中薄层的厚度为0.1mm。
[0016]优选的，所述步骤I中的阴茎整体影像学信息包括矢状位、冠状位尿道系列连续图像。
[0017]优选的，所述步骤2中通过手工进行数据筛选，保留尿道及海绵体信息。
[0018]优选的，所述步骤3中处理包括进行平滑数字模型处理。
[0019]优选的，所述步骤I中通过经患者尿道外口灌注超声对比剂后，利用三维超声技术对患者阴囊低部及会阴区域软组织结构进行实时三维扫描。
[0020]优选的，所述步骤I中的超声对比剂为盐酸丁卡因胶浆或生理盐水。
[0021]优选的，所述步骤2中的手工勾勒法包括先将尿道中央黑色管腔内径区域予以勾勒并予以删除，后将尿道海绵体与尿道周围组织间隙勾勒，并将尿道以外组织进行剔除。
[0022]优选的，所述步骤6中的填充材料为木醋杆菌及培养液、生物材料溶液或通过先置入生物材料溶液，经体冷冻干燥固化后，再次加入木醋杆菌及培养液制成。
[0023]优选的，所述生物材料是指丝素蛋白、明胶、胶原、壳聚糖、PGA、PLGA和PLA中的一种或几种。
[0024]相对于现有技术，本发明的技术方案具有以下优点:
[0025]1，本发明所构建的三维尿道模型具有生理性弧度，从而与正常的人体尿道的生理解剖位置结构相拟合；
[0026]2，本发明所构建的三维尿道模型不仅包括了尿道黏膜管腔层，而且包括了尿道黏膜下方的海绵体层数据信息，因而可以称之为宏观角度上正真意义上的个体化尿道三维材料；
[0027]3，本发明中所构建的尿道材料在微观结构上具有多孔样，网状编织样的结构特征。通过相关的调控工艺，其可与正常尿道组织的微观结构之间无限接近。
【附图说明】
[0028]构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0029]图1是本发明实施例的节段性个体化尿道三维数字模型的示意图；
[0030]图2是本发明实施例的经数字建模三维打印后的节段性尿道实体模型及硅胶倒模模具，其中，A为节段性尿道实体模型、B为硅胶倒模模具；
[0031]图3是本发明实施例的制备的实体尿道三维支架材料，其中，A为丝素蛋白尿道三维支架、B为丝素蛋白细菌纤维素尿道三维支架；
[0032]图4是本发明实施例的丝素蛋白/细菌纤维素尿道三维支架扫描电镜结构示意图。
【具体实施方式】
[0033]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0035]以下将结合附图对本发明的实施例做具体阐释。
[0036]本发明的实施例的一种利用超声影像学工具、三维打印技术并结合倒膜工艺及生物材料制备技术构建节段性个体化人体尿道三维支架材料的方法，通过三维超声技术成功获取薄层阴茎段及球部尿道海绵体组织信息，同时利用手工勾勒法筛选出待构建图像区，通过后期三维转换软件，生成具有患者个体化特征的数字化尿道模型，将此数字模型转换为STL格式之后，导入三维打印机中进行打印，制备出实体化节段性具有个体特征的尿道模型，所制备的尿道模型经过硅胶倒膜工艺进行倒膜处理后构建出可供材料充填的硅胶模型。在此基础上进一步将各类材料置于硅胶模型中进行重组，以最终构建出具有个体化特征的人体尿道三维支架材料。
[0037]超声成像技术对软组织具有较好分辨率，其最大优势即在于能够清晰地分辨出尿道周围海绵体组织的情况。而新一代的超声三维成像系统不仅能够达到与MDCT相媲美的0.1mm薄层取像，更重要的是通过其所获得的三维图像数据已被证实可以用于重建特定脏器的三维模型。
[0038]本发明的主要目的在于提供一种全新的构建真正符合患者个体特征的尿道三维支架材料方法。在该材料的构建中不仅包括了尿道黏膜及海绵体的个体化立体宏观结构，同时在其微观结构上能够尽可能的模拟正常的尿道及海绵体的微观结构。该生物材料的构建，有助于进一步进行尿道修复重建的临床前期实验研究乃至为后续该类生物材料在尿道修复重建中的实际应用奠定基础。
[0039]在本发明的实施例中，优选通过经尿道外口灌注超声对比剂后，经三维超声仪获取薄层(0.1mm厚度)阴茎整体影像学信息。数据经Raw Data格式进行保存后，采用IMAGEJ软件经泌尿外科专科医师进行数据筛选，保留尿道及海绵体信息。后经软件转化，构建三维尿道数字模型，并经平滑处理及