CN106620874A - 制备人工血管的方法及人工血管 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种制备人工血管的方法及人工血管。其中，方法包括如下的步骤：基于血管的三维数字模型，制备人工血管模具；将聚乙烯醇、二甲基亚砜以及水按照预设比例进行混合得到混合液；加热所述混合液得到浇铸液；将所述浇铸液浇铸至所述人工血管模具中；冷却所述浇铸液，去除所述人工血管模具，得到所述人工血管。本申请实施例提供的技术方案，能够得到与真实血管一致性高的人工血管。

Description

制备人工血管的方法及人工血管

技术领域

本申请涉及医疗器械领域，尤其涉及一种制备人工血管方法及人工血管。

背景技术

随着现代医学的发展，可通过建立各种生物医学模型对疾病进行研究或者教学辅助。例如，人体针灸模型、诊断技能模型、孕婴技能模型等，上述模型主要用于教学辅助，对模型的仿真性没有太高的要求。而对于疾病研究而言，生物医学模型需要与真实的生物体构造及其相似才能够有助于提升研究结果的精确性。例如，在很多疾病的研究中均需要使用人工血管。用于研究的人工血管与人类血管结构的一致性是决定研究结果的是否可靠的关键因素。

现有技术中，制作出的人工血管在应用于疾病治疗时，人工血管的弹性、通透性、生物兼容性与真实人体血管的差异性较大，严重影响疾病治疗结果。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备人工血管的方法及人工血管，用以获取高仿真的人工血管，从而提升医学研究、治疗以及教学的可靠性。

本发明实施例提供一种制备人工血管的方法，包括：

基于血管的三维数字模型，制备所述人工血管模具；

将聚乙烯醇、二甲基亚砜以及水按照预设比例进行混合得到混合液；

加热所述混合液得到浇铸液；

将所述浇铸液浇铸至所述人工血管模具中；

冷却所述浇铸液，去除所述人工血管模具，得到所述人工血管。

进一步可选的，所述预设比例为：

聚乙烯醇的占比范围为1/6～2/11、二甲基亚砜的占比范围为2/3～7/11、水的占比范围为1/6～2/11。

进一步可选的，所述加热所述混合液得到浇铸液，包括：

采用80℃～100℃的温度加热所述混合液2～6小时。

进一步可选的，所述加热所述混合液得到浇铸液，还包括：

持续搅拌加热过程中的所述混合液；

对加热后的混合液进行消泡，得到所述浇铸液。

对所述加热后的混合液进行消泡，包括：

进一步可选的，对所述混合液进行离心，直至所述混合液中的气泡消除。

进一步可选的，所述冷却所述浇铸液，还包括：对冷却至室温的所述浇铸液进行4～5次的冷冻熔融处理。

进一步可选的，所述基于血管的三维数字模型，制备人工血管模具，包括：获取所述血管的多个数字图像；

基于所述多个数字图像，构建所述血管的三维数字模型；

对所述血管的三维数字模型进行轮廓面的识别，得到所述血管的轮廓面；

对所述轮廓面进行抽壳处理，得到所述人工血管的模具模型。

根据所述人工血管的模具模型，采用三维打印技术打印出所述人工血管模具。

进一步可选的，基于所述多个数字图像，构建所述血管的三维数字模型，包括：

从所述多个数字图像中提取血管的轮廓数据；

获取三维建模参数；

根据所述血管的轮廓数据和三维建模参数，构建所述血管的三维数字模型。

进一步可选的，根据所述人工血管的模具模型，采用三维打印技术打印出所述人工血管模具，包括：

根据打印需求，设置打印参数；

根据所述人工血管的模具模型，采用可溶性尼龙粉末并基于所述打印参数，打印得到所述人工血管模具。

本发明实施例还提供一种上述制备人工血管的方法制备出的人工血管。

本申请实施例提供的制备人工血管的方法，将聚乙烯醇、二甲基亚砜以及水按照预设比例进行混合得到混合液，加热该混合液得到浇铸液并将该浇铸液浇铸至人工血管模具中。冷却并脱模之后得到的人工血管在韧度、通透性、生物兼容性以及弹性上与真实血管具有高度相似性。该人工血管能够应用于医学疾病研究、疾病治疗以及医学辅助教学领域，作为临床血管外科个体化血管的替代基础，该人工血管能够提升医学研究、治疗以及教学的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例提供的制备人工血管的方法的流程示意图；

图2是本申请实施例提供的制备人工血管的方法的另一流程示意图；

图3是本申请实施例CT扫描获取的乙状窦图像示意图；

图4是本申请实施例三维建模得到的人工血管的三维模型的示意图；

图5是本申请实施例三维打印获取的人工血管模具示意图；

图6是本申请实施例基于人工血管模浇铸得到的人工血管。

具体实施方式

现有技术中制作出的人工血管，通常血管的管径是均匀的，形态也多为单一的直管状或者Y字形。用这些人工血管来代替真实的血管做医学研究或者医学的辅助教学时，因其与真实血管之间管径和形态之间存在较大差异，将导致制造出的人工血管和真实血管在性能上产生巨大差别。这类人工血管一旦投入使用医学研究和辅助教学，易产生导向性的错误。

本申请实施例的核心在于，采用聚乙烯醇、二甲基亚砜以及水按照预设比例进行混合得到混合液，加热该混合液得到浇铸液并将该浇铸液浇铸至人工血管模具中，冷却并脱模得到人工血管。基于该浇铸方法得到的人工血管，克服了现有技术中各方面的性能与真实血管不符的缺陷。以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

图1是是本申请实施例提供的一种制备人工血管的方法的流程示意图，结合图1，该方法包括：

步骤101、基于血管的三维数字模型，制备所述人工血管模具。

步骤102、将聚乙烯醇、二甲基亚砜以及水按照预设比例进行混合得到混合液。

步骤103、加热所述混合液得到浇铸液。

步骤104、将所述浇铸液浇铸至所述人工血管模具中。

步骤105、冷却所述浇铸液。

步骤106、去除所述人工血管模具，得到所述人工血管。

针对步骤101，获取人工血管模具通过对真实血管进行三维建模以及三维打印实现。其中，三维建模是基于血管的数字图像实现的，三维建模得到的血管的三维数字模型在形状以及尺寸上具有极高的一致性。

对真实血管进行三维建模主要包括以下的几个步骤：

1011、获取所述血管的多个数字图像；

本步骤可以采用螺旋CT对血管所在区域进行扫描，根据扫描结果获取血管的多个数字图像。

1012、基于所述多个数字图像，构建所述血管的三维数字模型；

本步骤中，可以从上述多个数字图像中提取血管的轮廓数据，并获取三维建模参数。根据该血管的轮廓数据和该三维建模参数，构建所述血管的三维数字模型。

1013、对所述血管的三维数字模型进行轮廓面的识别，得到所述血管的轮廓面；

1014、对所述轮廓面进行抽壳处理，得到所述人工血管的模具模型；

1015、根据所述人工血管的模具模型，采用三维打印技术打印出所述人工血管模具。

在打印的时候，根据打印需求，设置打印参数。本实施例中，采用可溶性尼龙粉末作为打印材质，基于所述打印参数，打印得到所述人工血管模具。

针对步骤102，在制备混合液时，采用聚乙烯醇、二甲基亚砜以及水作为制备的原材料。在制备混合液时，水的占比稍多，则浇铸得到的人工血管弹性较好；水的占比稍减时，浇铸得到的人工血管韧性增大。聚乙烯醇以及二甲基亚砜的占比以合适的比例保持在一定范围内有助于混合液中三种物质的充分反应结合。可选的，经过反复试验测试，在本实施例中，将聚乙烯醇、二甲基亚砜以及水按照预设比例进行混合得到混合液，该预设的比例可以为(1～2)：(2～7)：(1～2)。即，制备一份混合液，聚乙烯醇的占比范围为1/6～2/11、二甲基亚砜的占比范围为2/3～7/11、水的占比范围为1/6～2/11。将这些材料按照上述比例，可使得制备出的血管在弹性、通透性、生物兼容性上以及韧性等指标上都与真实血管高度相似。为避免引入杂质从而影响混合液的特性，优选的，在制备混合液时，采用蒸馏水替代普通水。

例如，当需要制备100g混合液时，可以设置聚乙烯醇、二甲基亚砜以及蒸馏水的比例为1:2:1。即，称量25g聚乙烯醇，50g二甲基亚砜以及25g蒸馏水进行混合液的制备。

再例如，当需要制备110g混合液时，可以设置聚乙烯醇、二甲基亚砜以及蒸馏水的比例为2:7:2。即，称量20g聚乙烯醇，70g二甲基亚砜以及20g蒸馏水进行混合液的制备。

再例如，当需要制备120g混合液时，可以设置聚乙烯醇、二甲基亚砜以及蒸馏水的比例为1:5:2。即，称量15g聚乙烯醇，75g二甲基亚砜以及30g蒸馏水进行混合液的制备。

针对步骤103，加热时，如果混合液的体积较大，则通常将混合液倒在数个烧瓶中进行加热，以防止浇铸液在加热的过程中溢出或加热不均匀。

在加热上述混合液时，需要控制加热时长以及加热温度。可选的，控制混合液的加热时长在2～6小时左右、控制混合液的加热温度在80℃～100℃之间。上述加热条件能够保证混合液中的三种成分均匀混合，反应充足，从而得到最佳状态的熔融的浇铸液。

在一种可行的实施方式中，将烧瓶放置在酒精灯的三脚架上进行加热。在加热的过程中，不断用温度计或者温度传感器进行温度测试。在酒精灯三脚架上放置石棉网，从而控制加热温度在80℃～100℃之间。采用上述加热方式，烧瓶能够稳固地放置，便于加热时进行搅拌以及温度测试。

例如，将100g的混合液分放在三个烧瓶中，每个烧瓶中放置的混合液不超过烧瓶的三分之二体积。在酒精灯三脚架上放置石棉网，将烧瓶放置在酒精灯的三脚架，点燃酒精灯进行加热。

在另一种可选实施方式中，采用隔水加热法对混合液进行加热。将盛有混合液的烧瓶放置在加热中的水盆中，通过对水盆中的水进行加热来实现对混合液的加热。采用上述实施方式，能够将加热温度保持在100℃以内，加热过程缓慢均匀且保证了混合液中每一种成分不会遭到高温的破坏。

针对步骤104，将上述浇铸液浇铸至人工血管模具中时，保持浇铸过程是匀速的，从而能够将浇铸液均匀的浇铸至人工血管模具中，得到密度均匀的人工血管。

针对步骤105，在浇铸完成后，冷却所述浇铸液以获取固态的人工血管。冷却温度可以是室温，也可以利于浇铸液冷却的其他温度，本实施例不限制。

针对步骤106、在冷却浇铸液之后，进行脱模。在一种可行的脱模实施方式中，将人工血管模具放置在溶解液中，使其充分溶解。该溶解液只能溶解人工血管模具，对人工血管不造成影响，因此，工血管模具溶解后，保留完整的人工血管。

为实现人工血管模具的有效溶解并保证人工血管的完整性，本实施例中，通过建立真实血管的三维数字模型并对该三维数字模型进行三维打印制备出人工血管模具，在三维打印时，采用可溶性材料作为人工血管的模具的制作材质。例如，该可溶性材料可以是高抗聚苯乙烯(HIPS)或聚聚乙烯醇(PVA)，溶解剂可以是柠檬烯。浇铸液冷却之后，将该人工血管模具采用柠檬烯进行充分溶解，即可得到人工血管。基于上述实施方式得到的人工血管，其脱模后仍具有完整性，且在形状上与预先建立的真实血管的三维数字模型具有极高的吻合度，对真实血管的替代性更强。

本实施例提供的制备人工血管的方法，将聚乙烯醇、二甲基亚砜以及水按照预设比例进行混合得到混合液，加热该混合液得到浇铸液并将该浇铸液浇铸至人工血管的模具模型中。冷却并脱模之后得到的人工血管在韧度、通透性、生物兼容性以及弹性上与真实血管具有高度相似性。该人工血管能够应用于医学疾病研究、疾病治疗以及医学辅助教学领域。作为临床血管外科个体化血管的替代基础，该人工血管能够提升医学研究、治疗以及教学的可靠性。

图2是是本申请实施例提供的一种制备人工血管的方法的另一流程示意图，结合图2，该方法包括：

步骤201、基于血管的三维数字模型，制备所述人工血管模具。

步骤202、将聚乙烯醇、二甲基亚砜以及水按照(1～2)：(2～7)：(1～2)的比例进行混合得到混合液。

步骤203、采用80℃～100℃的温度加热所述混合液。

步骤204、搅拌所述混合液。

步骤205、消除混合液中的气泡得到浇铸液。

步骤206、将所述浇铸液浇铸至所述人工血管模具中。

步骤207、冷冻所述浇铸液并加热所述浇铸液至熔融状态4～5次。

步骤208、冷却熔融状态的所述浇铸液至室温。

步骤209、溶解人工血管模具得到人工血管。

在本实施方式中，步骤201～步骤203、步骤206、步骤208～步骤209的具体实现可参见图1对应的实施例所述，此处不再赘述。

针对步骤204，在加热混合液的过程中，不断的搅拌混合液，以使混合液中的三种成分均匀混合并使混合液能够均匀加热。

在一种可行的实施方式中，可以采用带有温度传感器的搅拌棒对加热中的混合液进行搅拌。在搅拌的过程中，实时测试混合液的加热温度作为加热温控的参考。

针对步骤205，混合液加热之后，该浇铸液中可能会存在一些气泡。为避免气泡造成的浇铸液浇铸之后产生塌陷，影响人工血管的形状以及性能，在浇铸之前，对混合液执行气泡消除操作。

在一种可行的实施方式中，通过静置该混合液一段时间获取无气泡的浇铸液。在另一种可行的实施方式中，通过对该混合液进行离心操作以消除混合液中的气泡。

针对步骤207，浇铸液浇铸在人工血管模具中，需要经过4～5次的冷冻熔融过程，从而使得人工血管的弹性、通透性、生物兼容性以及韧性等各方面的性能与真实血管更加接近。在一种可行的实施方式中，将浇铸液浇铸至人工血管模具之后，待浇筑液冷却后缓慢冷冻该浇铸液。待浇铸液冷冻后，加热冷冻的浇铸液，边加热边观察浇铸液的状态。待浇铸液成为熔融状态后，再次缓慢冷冻该浇铸液。反复冷冻熔融4次，在第4次加热浇铸液至熔融后，冷却浇铸液至室温即可。

本实施例提供的制备人工血管的方法，制备浇铸液的过程中，通过将聚乙烯醇、二甲基亚砜以及水按照预设比例进行混合得到混合液，加热该混合液得到浇铸液并将该浇铸液浇铸至人工血管的模具模型中。冷却并脱模之后得到的人工血管在韧度、通透性、生物兼容性以及弹性上与真实血管具有高度相似性。该人工血管能够应用于医学疾病研究、疾病治疗以及医学辅助教学领域。作为临床血管外科个体化血管的替代基础，该人工血管能够提升医学研究、治疗以及教学的可靠性。

应用实例

以下部分将以耳部血管静脉窦的获取为例对本申请实施例的技术方案进行详细阐述。

首先，采用Philips Brilliance 64层螺旋CT(Philips Healthcare,Cleveland,Ohio)进行血管所在区域的体积数据的采集。具体操作位：设置患者呈仰卧位，扫描范围自颅底至窦汇，以包括全部乙状窦。扫描参数设置为120kV，300mAs；准直设置为64×0.625mm；采集矩阵设置为512×512；螺旋CT的旋转时间0.75s。采集部位自颅底向头顶方向采集体积数据。

将采集到的原始数据传输至处理工作站(ExtendedBrilliance Workspace4.0，Philips,荷兰))。利用处理工作站自带的CTviewer软件重建横断面图像。得到重建后的数字图像如图3所示，保存为dicom文件格式导出。

将上述步骤得到的图像导入Mimics软件中，得到静脉窦血管的三视图。设定三维建模层厚为1mm，层间距为1mm，三维建模的显示矩阵为512×512。利用三视图选区，初步建立静脉窦模型的三维实心内腔及空心外腔模型。将静脉窦模型保存为stl文件格式导出。

将stl格式的静脉窦模型导入Geomagic软件中，将静脉窦模型转化为点阵模型，采用点密度均一化将点阵优化；将点阵生成面模型，配合使用平面光滑、力面松弛、去噪等手段，修补模型破损部位；反复以上步骤，直到模型光滑无坏面；利用抽壳功能，设置厚度，将无厚度的面模型变为有厚度的面封闭实体，如图4所示，将静脉窦模型以stl文件格式导出。

开启三维成型机Zcorp，将上述stl文件文件导入计算机，按online链接打印机和计算机进行喷墨打印。在打印材料的选择上，以可溶性材料高抗冲聚苯乙烯或聚聚乙烯醇为打印材质，打印成功后获取实体静脉窦内腔模具和外腔模具。获得静脉窦的内腔模具和外腔模具后，采用柠檬烯溶解的支撑部件，得到如图5所示的模型。

得到人工血管模具之后，将25g聚乙烯醇、50g二甲基亚砜和25g蒸馏水制备成100g的混合液。将混合液分别装在烧瓶中，采用酒精灯进行加热，加热的过程中，采用带有温度传感器的搅拌棒不断搅拌混合液，使得混合液中的三种成分充分融合并使混合液均匀受热。

在搅拌的过程中，根据温度传感器测得的温度控制加热温度。可以通过在酒精灯的三脚架的铁丝网上放置石棉网来控制酒精灯的温度大概在80℃左右。

加热3小时后，将加热后的混合液置入离心管并执行离心操作以去除混合液中的气泡得到浇铸液。将浇铸液匀速浇铸至内腔模具以及外腔模具组成的腔体。

浇铸完成后，缓慢冷冻浇铸液至-12℃。待浇铸液冷冻成固态后，缓慢加热浇铸液至熔融状态。再将熔融状态的浇铸液缓慢冷冻至-12℃，反复上诉操作5次。第5次将冷冻的浇铸液加热至熔融状态后，冷却浇铸液至室温。

冷却完成后，将浇铸后的人工血管模具浸泡在柠檬烯溶液中，待人工血管模具逐渐溶解。对于结构细微且复杂的区域，可用细软刷蘸取柠檬烯反复擦拭即可完全溶解模具残留，得到如图6所示的完整的静脉窦的人工血管。

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种制备人工血管的方法，其特征在于，包括：

基于血管的三维数字模型，制备人工血管模具；

将聚乙烯醇、二甲基亚砜以及水按照预设比例进行混合得到混合液；

加热所述混合液得到浇铸液；

将所述浇铸液浇铸至所述人工血管模具中；

将所述浇铸液冷却至室温；

去除所述人工血管模具，得到所述人工血管。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设比例为：

聚乙烯醇的占比范围为1/6～2/11、二甲基亚砜的占比范围为2/3～7/11、水的占比范围为1/6～2/11。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热所述混合液得到浇铸液，包括：

采用80℃～100℃的温度加热所述混合液2～6小时。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述加热所述混合液得到浇筑液，还包括：

持续搅拌加热过程中的所述混合液；

对加热后的混合液进行消泡，得到所述浇铸液。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对所述加热后的混合液进行消泡，包括：

对所述混合液进行离心，直至所述混合液中的气泡消除。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

对冷却至室温的所述浇铸液进行4～5次的冷冻熔融处理。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述基于血管的三维数字模型，制备人工血管模具，包括：

获取所述血管的多个数字图像；

基于所述多个数字图像，构建所述血管的三维数字模型；

对所述血管的三维数字模型进行轮廓面的识别，得到所述血管的轮廓面；

对所述轮廓面进行抽壳处理，得到所述人工血管的模具模型；

根据所述人工血管的模具模型，采用三维打印技术打印出所述人工血管模具。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，基于所述多个数字图像，构建所述血管的三维数字模型，包括：

从所述多个数字图像中提取血管的轮廓数据；

获取三维建模参数；

根据所述血管的轮廓数据和三维建模参数，构建所述血管的三维数字模型。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述人工血管的模具模型，采用三维打印技术打印出所述人工血管模具，包括：

根据打印需求，设置打印参数；

根据所述人工血管的模具模型，采用可溶性尼龙粉末并基于所述打印参数，打印得到所述人工血管模具。

10.根据权利要求1～7中任一项所述的方法制备出的人工血管。