一种用于流体力学观测实验的高透明仿生血管模型的制备方法与流程

本发明涉及一种用于流体力学观测实验的高透明仿生血管模型的制备方法，属于医学模型技术领域。

背景技术：

心血管疾病(cardiovasculardiseases)是世界各国发病率和死亡率的主要原因。在过去的三十年中，血流动力学(hemodynamics)一直是心血管系统和心血管疾病研究的重要组成部分。大量的研究仅限于用使用计算流体动力学(computationalfluiddynamic)建模进行血流模拟，而心血管系统的体外流动观测实验常采用粒子图像测速法(particleimagevelocimetry)，需要实验模型具有较高的透明度和较高的表面精度。

目前体外个性化仿生血管的实验模型主要由医学影像软件三维重建出血管的计算模型，再通过3d打印技术制作实现，分为直接打印成型和间接打印成型。前者采用的立体光固化成型法(stereolithographyappearance)，常使用光敏树脂材料，直接打印中空的血管通道，精度虽然高，但是难以对凹陷处进行高透明打磨，且血管壁受限于材料特性，难以模拟血液与血管壁的流固耦合情况。后者采用的熔融沉积制造法(fuseddepositionmodeling)，制造可去除的血管阳模，再进行硅胶模具的制作，但是存在以下问题。例如，采用abs/pla等材料打印，需使用有机溶剂(丙酮、二氯甲烷等)溶解，溶解速率缓慢，且该过程具有化学污染和毒性；采用低温材料伍德合金，石蜡等材料打印，易残留于常用硅胶模具(聚二甲基硅氧烷，polydimethylsiloxane)的表面，导致透明度不够，不利于对内部血流动进行实验观测。因此，如何制作高透明的仿生血管模型是生物流体体外实验测量的一大难题，极大限制了生物流体技术的发展和应用。

三维重建技术是指对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型，是在计算机环境下对其进行处理、操作和分析其性质的基础，也是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术。本发明优选通过ct、mr等的层片图像，重构出血管模型的三维形体。

3d打印(3dp)即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。设计过程中，先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。例如，本发明使用的fdm熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下一层，直至形成整个实体造型。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于流体力学观测实验的高透明仿生血管模型的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)：利用医学影像系统软件创建仿生血管的三维计算机模型；

步骤(2)：使用fdm型3d打印技术制作仿生血管模型的阳模；

步骤(3)：配比pdms和固化剂的混合液；

步骤(4)：使用步骤(3)中的pdms溶液分层浇筑血管模型的阳模；

步骤(5)：待步骤(4)中所述的pdms固化后，切开模型预留出入口，溶解血管模型的阳模；

步骤(6)：将步骤(5)中所完成的pdms模具后处理提高表面精度，得到高透明的仿生血管模型。

附图说明

图1为步骤(1)mimics软件中的医学三维重建影像。

图2为步骤(2)3d打印制备得到的血管阳模的简单示意图。

图3为步骤(4)pdms分层浇筑后的血管模型。

图4为步骤(5,6)溶解阳模后处理，放置在水中的高透明血管模型。

具体实施方式

为了更详尽地描述本发明所提供的方法，使得本领域普通技术人员能够顺利实施本方法并得到本发明中所叙述的效果，下面对上述每个步骤作进一步的说明：

步骤一：获取患者ct扫描得到的一系列二维dicom图像数据，导入到医学影像系统软件materialise-mimics，通过划分阈值和区域增长重建三维模型，再进行布尔运算，将模型内部抽壳，并进行光滑处理。当几何图形没有任何可观察到的缺陷时，输出可用于3d打印的standardtemplatelibrary(stl)格式文件。

步骤二：使用fdm型3d打印机，采用最高打印精度为0.2mm，选择打印材料可溶性高分子聚合物聚乙烯醇(polyvinylalcohol)，喷头温度为200℃，填充比为90％。限于fdm沿z轴的分辨率较低(0.25mm)，最终打印的模型具有分层影响，待打印完成，用清水进行涂抹光滑并去除拉丝等残留打印问题。

步骤三：将一定量的pdms置于烧杯中，按10：1的比例的加入固化剂，充分混合后盖上罩子并密封好，放入真空干燥箱中，抽真空30min，去除因混合产生的气泡，该过程中注意保证烧杯中的pdms不溢出。调节pdms与固化剂的比例，可模拟血管的不同弹性模量。

步骤四：使用氮气或清洁的压缩空气来清除仿生血管模型表面上的所有灰尘和颗粒，并将阳模放置在预先备好的方盒中。由于pva打印的阳模内腔空心，整体密度低于pdms，会上浮，故采用分层浇筑，待第一层固化后再进行二次浇筑。由于pva打印的阳模高温会熔化变形，所以整个浇筑过程温度不得高于50°。在浇注的过程中，如果出现气泡，可以使用吹气球去除气泡或者把浇筑后的模型放回到真空干燥箱内进行抽真空去气泡。如果选择第二个选项，一定要小心箱内压力不能过低，以免pdms渗入阳模的内部。

浇筑过程中，第一层为取出抽真空后的pdms缓慢浇注于模型上，从中间向周围浇注，避免产生气泡。然后将浇注好的pdms的模型放入应低于50℃的烘箱加热约30min，待阳模浮起且pdms接近凝固后，进行第二层浇筑，浸没整个阳模。再放入低于50℃的烘箱加热2h或常温静置12h，待模型完全凝固。

步骤五：使用钻头等尖锐物品戳破或切除血管阳模出入口的薄壁部分，将含有阳模的pdms模型置于热水中1h，超声溶解水溶性pva打印的血管阳模，该过程中可用镊子等物品夹取未完全溶解的pva，以加快去除pva速度。

步骤六：限于fdm打印精度问题，去除3d打印的阳模后，pdms模型的内壁有细微的层状条纹。因此，配置pdms溶液，灌注到血管内腔并从下出口流出，常温下竖直静置pdms血管模型24h，待血管内壁再次灌注的pdms溶液固化，即可利用重力使用pdms抹平条纹，以提高表面精度。

与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：

本发明的用于流体力学观测实验的高透明仿生血管模型，具有高透明度，高表面精度，高仿生性以及良好的壁面弹性，此外，制备方法简单，易于成型，有利于开展流体力学观测实验和医用教学演示。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。