一种仿生体模及其制备方法与流程

本发明涉及医用高分子材料领域，具体涉及一种仿生体模及其制备方法。

背景技术：

1、超声成像是临床诊断中常用的一种影像学方法。不同软组织、组织与组织之间的界面等对超声具有不同的反射特征，这些信息即可反映出组织的生理、病理状态。超声弹性成像是近年来新兴的一种在体测量软组织力学性质的方法。根据测量得到的生物组织力学特性，可以对组织病变状态进行诊断，例如区分肝脏纤维化程度、评估肿瘤良恶性等。弹性成像方法对超声探头压力、成像面选取等较为敏感，为了得到准确的测量结果，相关人员在进行实体操作前需要利用体模进行训练以提高操作熟练性和准确性以及采用体模对仪器进行精确的调试。

2、目前超声体模的改进主要凝胶材料类改进和结构类改进。超声体模采用凝胶材料模拟人体软组织，并可以加入造影剂、散射颗粒等成分，凝胶材料包括天然高分子(例如明胶、卡拉胶、胶原蛋白)和合成高分子(例如聚乙烯醇、聚丙稀酰胺)等。例如，cn107540786b公开了一种可显示高强度聚焦超声的体模凝胶，其特征在于，由以下原料液制备而成：聚乙烯醇0.05～0.5％，丙烯酰胺10～18％，亚甲基双丙烯酰胺0.02～0.15％，过硫酸铵0.01～0.06％，四甲基乙二胺0.0012～0.006％，脱氢乙酸钠0.005％，其余为水。结构类改进主要是在凝胶材料中可以加入组织结构，例如血管、流体等。例如，cn101743578b公开了一种用于模拟针到人体部位的血管中的超声引导的插入的体模。该体模包含：皮肤模仿层、组织模仿层、至少一个人造血管等。

3、超声体模凝胶材料的难点在于如何模拟复杂人体组织的，cn110292398b公开了一种超声体模，明胶悬浊液经凝胶化形成，所述明胶悬浊液包括明胶、散射颗粒和水，所述明胶在所述超声体模中相互交联形成三维网络结构，所述散射颗粒均匀负载在所述三维网络结构中。相比于传统的高分子体模材料，该专利公开的凝胶材料具有良好的生物相容性，提高超声体模的模拟真实性，提高模拟生物体软组织力学、声学等物理性质和结构特点的模拟结果准确性，同时具有安全性和环保性。但该体模凝胶材料不足之处在于，室温下使用硬度较高，在高温条件下手感粘稠。因而亟需一种体模凝胶材料，改善上述缺点。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种仿生体模材料，所述仿生体模材料为凝胶材料，含有如下质量百分比的组分：0.1～5％的卡拉胶、0.01～1％的黄原胶和水；优选0.5～2％的卡拉胶、0.01～0.1％的黄原胶和水。

2、在先专利采用明胶为主要原料，明胶凝胶化之后交联形成的三维网络结构，如若要在室温下放置，需要提高整体熔点，进而导致硬度增大，本发明采用卡拉胶和黄原胶的组合，代替明胶，同时不需要加入交联剂，从而获得了室温条件下保持正常软硬程度的凝胶材料。同时卡拉胶和黄原胶均为可食用材料，分别来源于海藻提取和微生物发酵，来源更为广泛，可生物降解，获得的仿生体模材料具有安全性和环保性。在一些实施方案中，所述仿生体模材料不含有明胶和交联剂，避免室温下使用硬度较高。

3、本发明的仿生体模材料可以通过卡拉胶的含量不同，调整仿生体模的物理性质(包括熔点、杨氏模量、韧性等)不同，能够模拟不同的生物体软组织。卡拉胶的浓度越高，所述仿生体模材料的熔点越高。在肿瘤热消融治疗中，采用高能聚焦超声，使得组织被加热杀死，达到消除肿瘤的作用。肿瘤热消融需要保证达到一定的温度才能杀死肿瘤组织，不同部位和不同情况可能需要的温度有所差别，因此需要考虑调节肿瘤的熔点来模拟这一过程。本发明通过添加不同浓度的卡拉胶使得所述仿生体模材料具有不同的熔点，从而可以根据需求模拟不同熔点的肿瘤。

4、并且通过不同物理性质的所述仿生体模材料的结合，形成各种结构，例如单一组织(如肝脏组织等)、包裹结构(如肿瘤组织等)以及层状结构(如皮肤组织等)。所述杨氏模量和韧性参数可以用于超声成像中的组织机械性能研究，所述熔点参数可以用于肿瘤热消融治疗中的组织杀死温度的研究。

5、在一些实施方案中，所述仿生体模材料还含有散射颗粒和/或防腐剂。

6、所述散射颗粒用于散射超声波，使所述超声体模超声成像。所述散射颗粒不溶于水溶液而形成悬浊液。在一些实施方案中，所述散射颗粒可以包括但不限于石墨颗粒、碳酸钙颗粒和纤维素颗粒中的一种或多种。所述散射颗粒在仿生体模材料中的质量百分比为0.1％～5％，优选0.5～2％；所述散射颗粒在该范围内能够使得所述超声体模的成像效果更好，并且基本不会影响所述超声体模的物理性质，如熔点、杨氏模量和韧性等。所述散射颗粒的粒径可以为1μm～100μm，优选的，所述散射颗粒的粒径为10μm～50μm。所述散射颗粒的粒径可以根据所述仿生体模材料的体积大小进行适应性调整。

7、在一些实施方案中，所述仿生体模材料还包括防腐剂，所述防腐剂用于抑制仿生体模材料使用过程中的微生物污染，提高保存和使用期限。所述防腐剂可以选自食品防腐剂。具体的，所述防腐剂可以包括苯甲酸、苯甲酸钠、山梨酸、山梨酸钾中的一种或多种。所述防腐剂在仿生体模材料中的质量百分比为0.1％～5％；优选1％～2％。

8、在一些实施方案中，本发明的所述仿生体模材料还可能包含其他少量组分，例如色素等，但不能影响仿生体模材料的主要性能，所属技术领域人员可以酌情添加。其他少量组分的质量百分比低于4％，更优选低于3％、2％或1％。此外，所述的其他少量组分并不包括明胶和交联剂。

9、在一些实施方案中，所述水在仿生体模材料中的质量百分比为90％～99％；优选94％～98％。

10、本发明还提供了所述仿生体模材料的制备方法，包括：

11、在容器中加入水并对容器水浴加热，将黄原胶、卡拉胶、任选的防腐剂、任选的散射颗粒依次加入到水中溶解，全部溶解后，继续搅拌并冷却，凝固得到的凝胶材料即为体模材料。

12、在一些实施方案中，水浴设定温度90～98℃，溶解过程中容器中的水温度不低于80℃。

13、在一些实施方案中，冷却可在2～8℃的冷藏环境加速冷却。

14、本发明还提供了一种仿生体模，包括所述仿生体模材料，所述仿生体模材料为匀质材料。

15、本发明还提供了一种包裹体模，包括中心体和包裹在所述中心体外的周围组织，所述中心体和所述周围组织为所述的仿生体模材料，所述中心体仿生体模材料中与所述周围组织仿生体模材料中的所述卡拉胶或散射颗粒的质量百分比不同。

16、在一些实施方案中，所述中心体为肿瘤体，所述肿瘤体中的所述卡拉胶的质量百分比为1％～5％，所述周围组织中的所述卡拉胶的质量百分比为0.1％～0.9％；或所述肿瘤体中的所述散射颗粒的质量百分比为1％～5％，所述周围组织中的所述散射颗粒的质量百分比为0.1％～0.5％。

17、在一些实施方案中，所述中心体为纤维，所述纤维中的所述卡拉胶的质量百分比为1％～5％，所述周围组织中的所述卡拉胶的质量百分比为1％～5％。

18、在一些实施方案中，所述中心体为有机活体或无机材料，所述周围组织为仿生体模材料。

19、本发明提供了所述的包裹体模的制备方法，包括：

20、提供盛有第一仿生体模材料溶液的第一模具；

21、将所述盛有所述第一仿生体模材料溶液的第一模具在冷却进行静置得到所述中心体；

22、提供盛有第二仿生体模材料溶液的第二模具，所述第二仿生体模材料溶液未将所述第二模具填满，所述第一仿生体模材料中的所述卡拉胶的质量分数与所述第二仿生体模材料中的所述卡拉胶的质量分数不同；

23、将所述盛有所述第二仿生体模材料溶液的第二模具冷却静置得到周围组织前体；

24、将所述中心体放置于所述第二模具中的所述周围组织前体上，并在所述第二模具中继续加入所述第二仿生体模材料溶液直至将所述中心体浸没；以及

25、将所述第二模具冷却静置。

26、本发明还提供了一种层状体模，包括多层所述的仿生体模材料，所述多层的相邻层仿生体模材料中的卡拉胶的质量分数不同。

27、在一些实施方案中，所述层状体模为皮肤体模，所述层状体模包括层叠设置的第一所述仿生体模材料和第二所述仿生体模材料，所述第一仿生体模材料为真皮体模，所述第二仿生体模材料为皮下脂肪体模，所述真皮体模中的所述卡拉胶的质量分数为1％～5％，所述皮下脂肪体模中的所述卡拉胶的质量分数为0.1％～0.9％。

28、本发明提供了所述的层状体模的制备方法，包括：

29、提供盛有第一仿生体模材料溶液的模具；

30、将所述盛有所述第一仿生体模材料溶液的所述模具在2℃～6℃下进行静置得到第一所述仿生体模材料；

31、按照所述第一所述仿生体模材料的制备方法在所述第一所述仿生体模材料上继续形成其他层的所述仿生体模材料。

32、本发明还提供了不同形状的仿生体模，通过模具的不同，制作不同外形的仿生体模。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

34、1、本发明的仿生体模材料在室温条件下保持正常软硬程度；受热后手感不黏稠，不沾手；通过不同的配比，可获得不同的力学性能。

35、2、本发明的仿生体模材料不同配比的本品表现出不同的融化温度，融化后的本品冷却后会恢复凝固成固体且弹性恢复；且体模材料在长期浸水状态下，不会对体积有所影响。

36、3、本发明的仿生体模材料可用于制备匀质体模、包裹体模和层状体模，仿生体模材料中加入散射颗粒后，b超影像清晰均匀，穿刺破坏后，超声图像下的轨迹可以愈合；可广泛用于医用超声培训、超声弹性成像的训练、医用超声引导穿刺训练、超声设备校准、实验教学。