CN112836325B - 一种具有括约功能的柔性管道及管道设计方法 - Google Patents

一种具有括约功能的柔性管道及管道设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有括约功能的柔性管道及管道设计方法，包括：支架和柔性内衬；支架具有负泊松比结构；柔性内衬粘附于支架内壁；柔性内衬分设为等距非圆瓣状结构；支架由若干个手性单胞与其镜像重合的反手性单胞阵列组合成型。本发明采用手性负泊松比结构作为管道支架以实现具有括约功能的变形驱动特征；支架内部连接柔性瓣状内衬，以实现柔性管道闭合后的密闭性。

Description

一种具有括约功能的柔性管道及管道设计方法
技术领域
本发明涉及仿生、医疗器械以及流体输送技术领域，特别是涉及一种具有括约功能的柔性管道及管道设计方法。
背景技术
括约功能是人和动物特有的一种功能，如吞咽、贲门/幽门开闭、排泄等。括约功能的实现是依靠某些管腔壁的一种环形肌肉--括约肌完成的。在括约肌收缩时能关闭管腔，舒张时使管腔开放，平时经常处于收缩状态。一般受植物性神经支配或激素调节。通过括约功能能够输送流体、半流状以及固态柔性散体物质。
当前，括约器官病变以及括约功能障碍类疾病发病率呈逐年上升趋势，如食管动力障碍类疾病、贲门失驰缓症等。为了达到治疗目的，食管支架、人造括约肌假体、括约肌型肠道阀等医疗器具已经在临床中得到研究和应用。但当前的器具依然存在功能单一、缺乏控制等缺点。
在工业中，常用的输送流体的管道多为刚性管道，依靠加压和阀门控制流体的流动，具有耗能、可控性差、冗余等缺点。在高精尖设备，特别是航空航天设备中具有很大的应用局限性。
为解决上述问题，本发明提出一种具有括约功能的柔性管道及管道设计方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有括约功能的柔性管道及管道设计方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种具有括约功能的柔性管道，其特征在于，包括：支架和柔性内衬；所述支架具有负泊松比结构；所述柔性内衬粘附于所述支架内壁。
所述支架由若干个手性单胞与其镜像重合的反手性单胞阵列组合成型。
所述手性单胞包括中心圆和韧带；所述韧带设置有至少三个，且沿所述中心圆外周面等间距设置；且所述韧带与所述中心圆相切。
所述手性单胞应满足t＝0.1r，L/2＝1.8r；
手性单胞内径-r；韧带壁厚-t；韧带长度-L/2。
所述柔性内衬分设为等距非圆瓣状结构，且所述柔性内衬至少分设为三个非圆瓣状结构；所述非圆瓣状结构的外周面粘附设置于所述支架内壁。
所述柔性内衬由硅胶或软橡胶构成。
所述支架包括但不限定为高弹合金、高弹聚合物及高弹纤维复合材料构成。
一种具有括约功能的柔性管道设计方法，包括以下步骤：
步骤一，设计平面手性单胞结构，使平面手性单胞结构的泊松比为负值；
步骤二，将平面手性单胞结构通过镜面或周期性拓扑，组合成型为平面网状支架；
步骤三，将平面网状支架做卷曲映射，将其映射到一个圆柱体的侧面上，形成立体支架；
步骤四，设计柔性内衬，通过设计将非圆瓣状结构的圆尖点和最远点等距划分成若干瓣，拉伸形成立体柔性内衬；
步骤五，将柔性内衬嵌设到支架中，形成具有括约功能的柔性管道模型；
步骤六，通过3D打印的形式一体化制备支架结构；采用模压成型工艺制备柔性内衬；将内衬粘附于支架内壁。
本发明公开了以下技术效果：采用手性负泊松比结构作为管道支架以实现具有括约功能的变形驱动特征；支架内部连接柔性瓣状内衬，以实现柔性管道闭合后的密闭性。这种柔性管道结构在单向拉伸或压缩的驱动作用下能够实现管道的扩张、闭合的括约功能，在医学、流体输送以及航空航天柔性管道等前沿领域具有应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为三角手性单胞结构示意图；
图2为四角手性单胞结构示意图；
图3为反三角手性结构结构示意图；
图4为反四角手性结构结构示意图；
图5为三角四单胞结构示意图；
图6为三角六单胞结构示意图；
图7为三角八单胞结构示意图；
图8为四角四单胞结构示意图；
图9为四角六单胞结构示意图；
图10为四角八单胞为结构示意图；
图11为支架结构尺寸对比表；
图12为三瓣、四瓣、五瓣和六瓣结构平面结构示意图；
图13为括约功能实验果结构示意图；
图14为三角四单胞三瓣柔性管道结构示意图；
图15为三角四单胞四瓣柔性管道结构示意图；
图16为三角四单胞五瓣柔性管道结构示意图；
图17为三角四单胞六瓣柔性管道结构示意图；
图18为四角四单胞三瓣柔性管道结构示意图；
图19为四角四单胞四瓣柔性管道结构示意图；
图20为四角四单胞五瓣柔性管道结构示意图；
图21为四角四单胞六瓣柔性管道结构示意图。
其中，1-三角手性单胞，2-四角手性单胞，3-反三角手性结构，4-反四角手性结构，r-手性单胞内径；t-韧带壁厚；L/2-韧带长度。
具体实施方式
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种具有括约功能的柔性管道，包括：支架和柔性内衬；支架具有负泊松比结构；柔性内衬粘附于支架内壁。
支架由若干个手性单胞与其镜像重合的反手性单胞阵列组合成型。
手性单胞包括中心圆和韧带；韧带设置有至少三个，且沿中心圆外周面等间距设置；且韧带与中心圆相切。
手性单胞应满足t＝0.1r，L/2＝1.8r；
手性单胞内径-r；韧带壁厚-t；韧带长度-L/2。
柔性内衬分设为等距非圆瓣状结构，且柔性内衬至少分设为三个非圆瓣状结构；非圆瓣状结构的外周面粘附设置于支架内壁。
柔性内衬由硅胶或软橡胶构成。
支架包括但不限定为高弹合金、高弹聚合物及高弹纤维复合材料构成。
一种具有括约功能的柔性管道设计方法，包括以下步骤：
步骤一，设计平面手性单胞结构，使平面手性单胞结构的泊松比为负值；
步骤二，将平面手性单胞结构通过镜面或周期性拓扑，组合成型为平面网状支架；
步骤三，将平面网状支架做卷曲映射，将其映射到一个圆柱体的侧面上，形成立体支架；
步骤四，设计柔性内衬，通过设计将非圆瓣状结构的圆尖点和最远点等距划分成若干瓣，拉伸形成立体柔性内衬；
步骤五，将柔性内衬嵌设到支架中，形成具有括约功能的柔性管道模型；
步骤六，通过3D打印的形式一体化制备支架结构；采用模压成型工艺制备柔性内衬；将内衬粘附于支架内壁。
在本发明的一个实施例中，支架内径为6mm-7mm，壁厚为0.8mm-1.2mm。
非圆瓣状结构的圆尖点距圆中心的距离为0.6mm-0.8mm。
在本发明的一个实施例中，如图1,2，设计有三角手性单胞1和四角手性单胞2；
平面三手性结构的泊松比需满足一定的数学关系才能维持负值，而反四手性结构的泊松比为负值。
在本发明的一个实施例中，如图3,4，设计有反三角手性结构3和反四角手性结构4；
正、反手性是两种典型组合方式，正手性是由手性单胞正向依序排列组合而成，反手性是反手性单胞镜像排列组合形成。三角手性单胞正向排列组合形成的结构称为三手性结构，反三角手性单胞镜像组合形成的手性结构为反三手性结构。与此类似，相对应于四角手性单胞组合而成的结构和反四角手性单胞形成的结构也分为四手性结构和反四手性结构。
在本发明的一个实施例中，由于基本的单个手性胞元在平面排列组合时数量不同，因此形成三维结构后就会在圆周内产生不同单胞数目的食管支架。
基于反三角手性结构3设计四单胞、六单胞、八单胞三种圆周内不同单胞数目的支架结构；基于反三角手性结构3设计的反三角多单胞在纵截面上具有对称性，具体如图5为三角四单胞支架，图6为三角六单胞支架，图7为三角八单胞支架。
基于反四角手性结构4设计四单胞、六单胞、八单胞三种圆周内不同单胞数目的支架结构；基于反四角手性结构4设计的反四角多单胞在纵截面上具有对称性，具体如图8为四角四单胞支架，图9为四角六单胞支架，图10为四角八单胞支架。
每种支架在设计时具有相同的管径和壁厚，但高度不尽相同，产生高度不同的原因是三角胞元和四角胞元的结构方式差异及其在立体三维结构上排列方式的差异，具体如图11所示。
在本发明的一个实施例中，柔性内衬为等距非圆瓣状结构。这里非圆指的是这类结构连接在中心圆上的瓣状结构不是由圆弧所构成而是由给定点的等距样条曲线所形成，等距指的是此类结构所有样条曲线所围成的瓣状状结构的圆尖点到中心圆的中心点距离相等。将非等距圆形瓣状结构的仿食管管道设计成数目分别为三花瓣、四花瓣、五花瓣、六花瓣的四种结构，如图12所示。
更具体的为，其中外圆直径为6.2mm，瓣状上的圆尖点到圆中心的距离为0.7mm。
在本发明的一个实施例中，在对管道施加拉伸和压缩作用时管道能够张开和闭合实现括约功能，如图13所示的应力测试，可知反四角多单胞支架结构在单向压缩载荷下出现负泊松比效应的原因在于，反四角多单胞支架结构是四手性胞元和反四手性胞元镜像对称组合而成的结构，单个手性胞元在受压缩载荷作用时，链接在胞元上的切线杆件会带动中心圆旋转，从而使整体结构产生绕中心旋转的顺时或逆时的变形，由于结构是手性胞元和反手性胞元组成的，因此它们的旋转方向会不一致，从而产生相互对抗的变形使胞元上的链接杆件相互靠拢，在圆周内的局部上产生收缩变形现象，最终使整体结构在轴向压缩载荷下产生了压缩-收缩负泊松比效应的变形现象。反三角多单胞支架结构在单向压缩载荷下的产生负泊松比效应的原因相类似。
在本发明的一个实施例中，选用Ni-Ti合金，采用3D打印的形式一体化制备管道支架结构；选用硅胶，采用模压成型工艺制备柔性瓣状内衬。
本发明公开了以下技术效果：采用手性负泊松比结构作为管道支架以实现具有括约功能的变形驱动特征；支架内部连接柔性瓣状内衬，以实现柔性管道闭合后的密闭性。这种柔性管道结构在单向拉伸或压缩的驱动作用下能够实现管道的扩张、闭合的括约功能，在医学、流体输送以及航空航天柔性管道等前沿领域具有应用价值。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种具有括约功能的柔性管道，其特征在于，包括：支架和柔性内衬；所述支架具有负泊松比结构；所述柔性内衬粘附于所述支架内壁；所述支架由若干个手性单胞与其镜像重合的反手性单胞阵列组合成型；所述柔性内衬分设为等距非圆瓣状结构，且所述柔性内衬至少分设为三个非圆瓣状结构；所述非圆瓣状结构的外周面粘附设置于所述支架内壁。
2.根据权利要求1所述的一种具有括约功能的柔性管道，其特征在于：所述手性单胞包括中心圆和韧带；所述韧带设置有至少三个，且沿所述中心圆外周面等间距设置；且所述韧带与所述中心圆相切。
3.根据权利要求2所述的一种具有括约功能的柔性管道，其特征在于：所述手性单胞应满足t=0.1r，L/2=1.8r；
手性单胞内径-r；韧带壁厚-t；韧带长度-L/2。
4.根据权利要求1所述的一种具有括约功能的柔性管道，其特征在于：所述柔性内衬由硅胶或软橡胶构成。
5.根据权利要求1所述的一种具有括约功能的柔性管道，其特征在于：所述支架包括高弹合金、高弹聚合物及高弹纤维复合材料。
6.用于权利要求1-5中任一项的一种具有括约功能的柔性管道设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，设计平面手性单胞结构，使平面手性单胞结构的泊松比为负值；
步骤二，将平面手性单胞结构通过镜面或周期性拓扑，组合成型为平面网状支架；
步骤三，将平面网状支架做卷曲映射，将其映射到一个圆柱体的侧面上，形成立体支架；
步骤四，设计柔性内衬，通过设计将非圆瓣状结构的圆尖点和最远点等距划分成若干瓣，拉伸形成立体柔性内衬；
步骤五，将柔性内衬嵌设到支架中，形成具有括约功能的柔性管道模型；
步骤六，通过3D打印的形式一体化制备支架结构；采用模压成型工艺制备柔性内衬；将内衬粘附于支架内壁。
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