CN108276782A - 一种填充材料及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种填充材料及其应用，其中，该填充材料主要是由结冷胶和明胶组成的混合物，所述结冷胶和所述明胶两者的质量之比为(1～1.5)：(2～3)。本发明通过对该填充材料的具体组成成分及各组分之间的配比、结冷胶中是否包含酰基等进行改进，与现有技术相比能够有效解决填充材料透明度不高、质量偏软、胶凝速度慢等问题，该填充材料尤其适用于制作医学模型，得到透明度高、凝胶弹性、强度适中的医学模型，并且该填充材料胶凝速度快，非常便于实际应用。

Description

一种填充材料及其应用

技术领域

本发明属于医学模型制造领域，更具体地，涉及一种填充材料及其应用。

背景技术

现有的人体器官模型打印技术一般采用激光烧结或者铺粉打印技术，打印实体或者中空模型。主材料一般为光敏树脂、石膏粉等。现3D打印材料成本很高，供源较少，打一个模型需要上万的成本。高透明度的光敏树脂可以打印成实体模型，整个模型质地较硬，医生用于手术规划时只能从模型表观观察血管走向、肿瘤形状大小位置；光敏树脂可以打印中空模型，及将肝实质中空化，设计成壁薄、透明的肝实质外壳，中空模型因要除去打印过程中产生的内部填充材料，外壳会设计成可拆分或有孔洞形式，打印后处理时会清除模型内部多余的填充材料，这种为了保持外壳的透明度，往往壁较薄(壁厚2毫米左右)，医生可拆开外壳，更直接的观察内部结构，但由于外壳连接处连接不牢固，容易出现部分脱落，对运输、使用带来一定的不便，且暴露的血管容易被损坏；还可以打印成外壳不完整或者没有外壳的模型，内部的血管、病灶结构裸露，让医生直接观察器官内血管、病灶组织分布，该模型制作成本最低，但同前一类模型一样，血管等结构太过细小，打印精度高时，运输、使用过程中容易发生损坏。用石膏粉打印时，一般打印成中空结构或简单的实体模型，实体模型只能反映器官的外形和颜色，而中空模型，因石膏粉为白色，没有透明度，要观察器官内部的具体结构，一般将肝实质剖空化，设计成壁厚5mm的外壳，外壳分为若干块可拆分，外壳中有流入流出孔，再用低成本的填充材料从孔中流入，填充模型内部，再去掉外壳，形成实心的器官模型。填充材料可采用市场上卖的透明果冻蜡，用电磁炉加热可熔融，透明度高，弹性好；但另一方面，由于透明果冻蜡是由液体石蜡和热塑性的丁苯橡胶一定比例混合制成，工业中一般是用透明果冻蜡制备工艺蜡烛，由于其融化时蜡温不能高于110度，否则将会因蜡温过高会造成蜡的局部燃烧影响填充效果，因而实际使用时往往非常受限。

除了透明果冻蜡这一类填充材料外，现有技术也指出树脂材料、橡胶、明胶、工业淀粉等可以作为填充材料，但这些填充材料在单独应用时往往存在材质过硬、凝胶速度过慢、容易老化等的缺点，并且现有技术中也往往没有克服这些缺点的有效手段。以现有的凝胶剂为例，如琼脂、淀粉、魔芋胶、黄原胶等，琼脂凝胶透明度低，淀粉由于凝胶老化会逐渐变白，魔芋胶和黄原胶不能单独形成凝胶，且会降低透明度。而采用明胶填充模型内部时，由于明胶凝胶速度较慢，一般在1个小时左右，且质地较软，应用时也较为不便。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种填充材料及其应用，其中通过对该填充材料的具体组成成分及各组分之间的配比、结冷胶中是否包含酰基等进行改进，与现有技术相比能够有效解决填充材料透明度不高、质量偏软、胶凝速度慢等问题，该填充材料尤其适用于制作医学模型，得到透明度高、凝胶弹性、强度适中的医学模型，并且该填充材料其胶凝速度快，非常便于实际应用。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种填充材料，其特征在于，该填充材料主要是由结冷胶和明胶组成的混合物，所述结冷胶和所述明胶两者的质量之比为(1～1.5)：(2～3)。

作为本发明的进一步优选，所述结冷胶优选为低酰结冷胶，该低酰结冷胶为完全脱除酰基后的结冷胶。

作为本发明的进一步优选，所述结冷胶和所述明胶两者的质量之比为1:2。

按照本发明的另一方面，本发明提供了上述填充材料在制作医学模型中的应用。

作为本发明的进一步优选，所述应用包括如下步骤：

向填充材料中加入水，水的添加量为该填充材料中结冷胶质量的40～60倍；然后，在60-90℃下水浴搅拌溶解10-30分钟，使该填充材料完全溶解于水中得到溶胶，然后停止搅拌，恒温静置除去气泡；接着，将该溶胶趁热倒入中空模型中，冷却静置使其完全胶凝，即得到医学模型。

作为本发明的进一步优选，所述冷却静置是在不高于30℃的环境下静置20分钟及以上。

作为本发明的进一步优选，所述中空模型是采用透明光敏树脂；优选的，该中空模型是通过3D打印得到的。

本发明选择结冷胶(尤其是低酰结冷胶)和明胶复配，具有以下优点：透明度高，加热后流动性好(粘性小)，凝胶速度快，凝胶弹性、强度适中，因此非常适用于模型填充材料的需要。结冷胶是一种新型的具有优良性质的凝胶剂，可耐热耐酸，不溶于冷水，也不溶于非极性有机溶剂，但略加搅拌即分散于水中，加热即可溶解成透明的溶液，冷却后，形成透明且坚实的凝胶；低酰结冷胶为脱酰基结冷胶(天然结冷胶每单位约有1.5个O-酰基基团，酰基可被碱脱除，得到脱酰基形式的结冷胶，即低酰结冷胶)，低酰结冷胶形成凝胶的速度非常快，当凝胶形成温度到达时马上就会形成凝胶,这个被称为“瞬时”凝胶，但另一方面单一的低酰结冷胶形成的凝胶强度大，没有弹性，易碎，本发明则是将低酰结冷胶和明胶进行复配，并通过控制明胶和低酰结冷胶两者的配比比例，使结冷胶与明胶形成的凝胶网络相互协同交联，互相作用，利用两者之间的协同作用，使得复配后得到的凝胶既具有低酰结冷胶的优点——凝胶速度快，透明度高，又具备明胶的优点——胶体弹性好、柔韧度高，更重要的是，由于凝胶网络的相互交联，凝胶的保水性更好，凝胶强度增大，体系更加稳定，成为适合浇注填充的材料。

本发明中的填充材料适用于填充中空模型(如采用光敏树脂打印的中空模型等)，从而最终制作得到医学模型。本发明是先向填充材料中加入特定比例的水，然后进行水浴使其完全溶解，去除气泡后即可用于填充中空模型，降温静置后，即可得到胶凝的医学模型。

适于填充医学模型的材料需要具备多种性质，其中包括透明度好、固化速度快、弹性好、性质稳定等，现有的凝胶剂，如淀粉、琼脂、结冷胶、明胶、魔芋胶、果胶等，均各自具有独特的凝胶性质，但无法兼顾上述性能要求。本发明利用结冷胶(尤其是低酰结冷胶)和明胶复配，透明度高、凝胶弹性、强度适中，且胶凝速度快，非常适用于作为医学模型的填充材料。

附图说明

图1为现有技术中以树脂材料作为打印材料的模型实物图(由医软信息科技(上海)有限公司提供)，其中图(a)、图(b)均为树脂实心模型，图(c)为树脂空心模型。

图2为采用本发明3D打印方法打印得到的模型实物图(没有填充材料)，该模型外壳可拆分成两半，其中图(a)为外壳组装后的实物图，图(b)为外壳拆分后的实物图。

图3为采用本发明中的填充材料冷却胶凝后的样品实物图。

图4为1％浓度结冷胶溶液的剪切粘度测量图。

图5为1wt％浓度结冷胶溶液胶凝后再次加热的25～80℃升温弹性模量(G')和粘性模量(G”)变化测量图。

图6为1％明胶溶液剪切粘度测量图。

图7为按结冷胶：明胶(w:w)＝1:2得到的复配胶溶液其剪切粘度测量图。

图8为按结冷胶：明胶(w:w)＝1:2得到的复配胶溶液其升温过程中弹性模量(G')和粘性模量(G”)变化测量图。

图9为按结冷胶：明胶(w:w)＝1:2得到的复配胶其升温过程中粘度变化测量图。

图10为按结冷胶：明胶(w:w)＝1:2得到的复配胶其降温过程中弹性模量(G')和粘性模量(G”)变化测量图。

图11为按结冷胶：明胶(w:w)＝1:2得到的复配胶其降温过程中粘度变化测量图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

填充材料：明胶和低酰结冷胶复配的凝胶体，低酰结冷胶：明胶(w:w)＝1：2，加水量为低酰结冷胶质量的50倍(当然也可以是40倍～60倍范围内的其他倍数值)，在80℃下水浴搅拌溶解10分钟，低酰结冷胶和明胶即能溶解完全，然后静置片刻，待气泡溢出或聚集在溶液表面，用勺子小心除去表面气泡，即可将该溶液倒入中空模型中，室温20分钟左右即可完全胶凝。

表1 相关实际实验结果

本发明选择低酰结冷胶和明胶复配，具有以下优点：透明度高，加热后流动性好(粘性小)，凝胶速度快，凝胶弹性、强度适中，因此非常适用于模型填充材料的需要。结冷胶是一种新型的具有优良性质的凝胶剂，可耐热耐酸，不溶于冷水，也不溶于非极性有机溶剂，但略加搅拌及分散于水中，加热即可溶解成透明的溶液，冷却后，形成透明且坚实的凝胶；低酰结冷胶形成凝胶的速度非常快，当凝胶形成温度到达时马上就会形成凝胶,这个被称为“瞬时”凝胶，但另一方面单一的低酰结冷胶形成的凝胶强度大，没有弹性，易碎，本发明则是将低酰结冷胶和明胶进行复配，将明胶和低酰结冷胶两者的比例控制为(1～1.5)：(2～3)，利用两者之间的协同作用，即可得到性质更为优良的凝胶体。

1wt％浓度结冷胶溶液的剪切粘度如图4所示，结冷胶溶液胶凝后再次加热，25～80℃升温测弹性模量和粘性模量如图5所示，可以测出其熔融温度为42℃。1％明胶溶液剪切粘度如图6所示。

将结冷胶与明胶两者按1:2的质量比复配，得到复配胶溶液，其剪切粘度如图7所示。

通过图4至图7，不难发现，明胶和低酰结冷胶复配，在升温溶胶过程中，粘度大大下降，弹性模量和粘性模量也大大下降，溶液流动性好，而溶胶完全后降温过程中，当降至40℃左右时，粘度陡然上升，弹性模量远大于粘性模量，形成凝胶体。

实施例2

本实施例是将实施例1中的填充材料实际应用于医学模型的填充。

可以在拿到病人的断层CT扫描图像后，运用IQQA-3D软件对dicom格式的CT图像进行图像分割，对全肝，肝内肝静脉，门静脉，动脉，下腔静脉，肿瘤进行精准全定量图像分割。然后再运用IQQA-3D软件将处理后的精准全定量图像分割的结果转换成STL格式的文件，将STL格式的文件传入3D打印机打印模型。

打印材料为透明光敏树脂，模型打印层厚为0.1mm，打印后将模型取出，进行抛光打磨上色。模型中空，肝实质通过剖空操作设置为壁厚2mm的外壳，外壳分两块，可拆卸。

外壳上设有直径3毫米的流入流出孔，将两块外壳连接处用宽胶带粘住，将加热溶解的结冷胶和明胶复配溶液趁热倒入模型中(趁热的温度可以是高于30℃的温度)。待凝胶冷却胶凝，用刀小心割开连接处胶带，将外壳剥除，即得到实心的模型。中空模型除了外壳外，还可包括被该透明薄层的外壳包裹在里面的血管、肿瘤等，共同形成该中空模型；因此，最终形成的医学模型还可以包括被该中空模型外壳包裹的血管、肿瘤等，即除去外壳后被填充材料包覆形成的整体实心结构。

最后，可以将得到的模型交给医生完成术前规划。

本发明中的填充材料，结冷胶和明胶两者的质量比优选控制为1:2；当然根据不同需求，如透明度、强度、弹性要求等，可在(1～1.5)：(2～3)的质量比的范围内调整结冷胶和明胶的比例。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种填充材料，其特征在于，该填充材料主要是由结冷胶和明胶组成的混合物，所述结冷胶和所述明胶两者的质量之比为(1～1.5)：(2～3)。

2.如权利要求1所述填充材料，其特征在于，所述结冷胶优选为低酰结冷胶，该低酰结冷胶为完全脱除酰基后的结冷胶。

3.如权利要求1所述填充材料，其特征在于，所述结冷胶和所述明胶两者的质量之比为1:2。

4.如权利要求1-3任意一项所述填充材料在制作医学模型中的应用。

5.如权利要求4所述应用，其特征在于，该应用包括如下步骤：

向填充材料中加入水，水的添加量为该填充材料中结冷胶质量的40～60倍；然后，在60-90℃下水浴搅拌溶解10-30分钟，使该填充材料完全溶解于水中得到溶胶，然后停止搅拌，恒温静置除去气泡；接着，将该溶胶趁热倒入中空模型中，冷却静置使其完全胶凝，即得到医学模型。

6.如权利要求4所述应用，其特征在于，所述冷却静置是在不高于30℃的环境下静置20分钟及以上。

7.如权利要求4所述应用，其特征在于，所述中空模型是采用透明光敏树脂；优选的，该中空模型是通过3D打印得到的。