CN113042732B - 可植入生物体的3d打印磁控变形夹持装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可植入生物体的3D打印磁控变形夹持装置及方法，属于磁控材料3D打印和生物医疗器械领域。磁感应块通过弹性支撑连接到基体上，磁感应块的上方中部靠近基体一侧有卡钳，磁感应块的前方有齿条及齿条锁外壳，齿条锁外壳内有齿条锁，基体中间开有凹槽，基体两侧还分别对称设置两个装配卡锁和两个装配卡槽。本发明通过强磁场充磁获得磁畴规则排列的零件。将两个完成充磁的零件成对放置在生物体内血管、神经或其他生物组织的外侧，装配成夹紧装置。在生物体外施加外部磁场，利用磁畴的分布同外部磁场的夹角以及强度变化，可以控制对血管、神经或其他生物组织的压迫程度。

Description

可植入生物体的3D打印磁控变形夹持装置及方法
技术领域
本发明涉及磁控材料3D打印和生物医疗器械领域，尤其涉及一种可植入生物体的3D打印磁控变形夹持装置及方法。
背景技术
在医学和科研过程中，为了模拟或复现在生物体内对血管、肌肉、神经或其他组织产生压迫的病理现象，通常会通过手术在生物体内植入限流或者夹紧装置，用于构建压迫模型，例如坐骨神经压迫模型以及血管压迫模型。
传统的急性压迫模型构建方法为游离并显露坐骨神经，将硅胶管纵向套住坐骨神经，并用尼龙线缝合，将坐骨神经直径从1.2mm缩窄到0.75mm，造成坐骨神经环形挤压。传统的慢性压迫模型构建方法则用铬制肠线替代手术缝合线，手术缝合线做4道结扎，每道结扎线间距1mm左右，以不损伤供血为准产生一定压迫，随着体液渗出，铬制肠线吸水膨胀，逐渐增加压迫量。压迫量的增加受到体液渗出速度的影响。传统的压迫模型的压迫量依赖于手术人员的实际操作，每个模型的个体损伤程度不能精准定量，无法对压迫量随时间的变化进行有效控制或测量。
总结目前现有急性或慢性压迫模型的构建，普遍具有以下不足：
1.血管或神经的急性压迫模型的构建受到人为因素影响较大。由于传统急性压迫模型通常由手术线结扎，其过程中的压迫量由手术操作人员手动控制，存在一定人为误差。针对直径较小的血管或神经，误差所产生的压迫量波动相对于血管或神经的直径的比值较大，因此对实验结果具有较大的影响，增加了实验结果的不可靠性。
2.血管或神经的慢性压迫模型的构建受到人为因素影响较大。传统慢性压迫模型是基于吸水材料的吸水膨胀性通过手术植入来实现的。在手术操作人员在放置吸水膨胀材料的过程中，需要将吸水膨胀材料按照一定的接触力固定在血管或神经外侧，用于控制初始压迫量。如果接触力太大，则会产生太大的初始压迫量。反之则会影响吸水材料的固定或稳定性。
3.血管或神经的慢性压迫模型无法随时间控制压迫量。由于传统慢性压迫模型的压迫量是由吸水膨胀材料以及体液渗出量决定的。由于实验对象的个体差异或者安装部位的不同，体液随时间渗出量无法确定，也无法精确控制。因此导致压迫量无法随时间进行精确控制。
磁性材料能够在外部磁场的控制下产生可控变形或作用力。四氧化三铁或钕铁硼粉末已经作为主要的磁性材料在很多行业有应用。由于磁场对生物组织具有良好的穿透性，且对组织安全无损伤，因此磁性材料可以通过特殊设计加工后，植入生物体内，作为体内驱动部件。通过外部磁场的方向或大小变化，用户可以有效控制磁性材料在生物体内的变形量或变形力。由于大部分磁性材料硬度高、韧性低，因此很难通过机加工方式获得所需要的形状。通常利用倒模铸造或者加工成粉末同其他材料混合制备成型。传统的加工制造方法不适宜制造微小尺寸的磁性材料。
3D打印技术的发展和成熟使得对微小尺寸特殊结构产品的制造能力大大提高。随着3D打印材料的发展，具备生物相容性的材料开始在医用或生物领域内使用。通过添加对外部物理激励发生反应的材料，3D打印技术发展成4D打印，即除了在空间三维可以定制结构尺寸，还能够随额外的物理激励发生物理变化，例如随光、温度、磁场的变化发生形变。3D打印技术结合磁性材料已经作为4D打印的一个重要发展方向，可以生产制造通用的对生物体内血管或神经产生压迫的装置。
发明内容
本发明提供一种可植入生物体的3D打印磁控变形夹持装置及方法，以解决上述传统急性或慢性压迫模型中所遇到的受人为因素影响问题。
本发明采取的技术方案是：包括磁感应块、齿条、齿条锁外壳、弹性支撑、卡钳、卡锁、装配卡槽、齿条锁、基体和凹槽，其中磁感应块通过弹性支撑连接到基体上，磁感应块的上方中部靠近基体一侧有卡钳，磁感应块的前方有齿条及齿条锁外壳，齿条锁外壳内有齿条锁，基体中间开有凹槽，基体两侧还分别对称设置两个装配卡锁和两个装配卡槽。
所述可植入生物体的3D打印磁控变形夹持装置是将磁性材料打印墨水、通过3D打印方法按照设计好的几何形状固化而成，完成固化之后，将其放置在强磁场中进行充磁，增加磁性，充磁方向垂直于凹槽的轴向。
所述磁性材料打印墨水是通过以下步骤制备获得的：
(1)将平均颗粒尺寸为0.5～2微米的钕铁硼粉末和生物相容性树脂混合，每100ml树脂混合15～25克钕铁硼粉末，加入0.06克的防氧化剂，3克的硅酸盐类分散剂，经过超声波振荡5分钟，使得钕铁硼粉末和树脂均匀混合；
(2)在打印前加入5g催化剂，均匀混合，作为磁性材料打印墨水。
所述防氧化剂采用半胱胺或虾青素。
所述硅酸盐类分散剂采用PMA25或丙二醇甲醚醋酸酯。
所述钕铁硼粉末的颗粒形状为非对称形状；
所述钕铁硼粉末的颗粒形状为椭圆扁平状或针状。
所述催化剂采用光固化树脂成型催化剂；
所述光固化树脂成型催化剂采用三苯基膦或三乙基烯丙基氯化胺。
本发明的有益效果是：
本发明采用的生物相容性磁性材料打印墨水是通过混合生物相容的高分子树脂和钕铁硼粉末，获得一种可用于3D打印的生物相容磁性材料打印墨水；可以通过3D打印设备制造形成所需要的特殊结构，钕铁硼颗粒尺寸控制在0.5～2微米；所使用的钕铁硼颗粒形状为非对称形状，有利于提高钕铁硼粉末和树脂的结合力，在外加磁场作用下提供更加稳定的变形力。
将两个完成充磁的磁控变形夹持装置成对放置在生物体内血管、神经或其他生物组织的外侧，装配成夹紧装置。在生物体外施加外部磁场，利用磁畴的分布同外部磁场的夹角以及强度变化，可以控制对血管、神经或其他生物组织的压迫程度。
本发明使用时在外部磁场强度或方向变化时产生同外部磁场趋于平行的驱动力，从而驱动所述的磁感应块沿所述的弹性支撑旋转，从而产生夹紧的作用力，推动齿条和卡钳运动；所述卡钳在夹紧过程中会先接触到血管或神经，产生压迫；所述齿条在夹紧过程中进入所述齿条锁，由于其单向斜面的防松设计，仅允许夹紧方向的运动，在所述齿条锁外部还设有保护壳，防止被外界异物影响卡紧效果；在外部磁场消失后，所述齿条锁阻止了齿条的缩回，从而使机构保持在外部磁场作用下相同的夹紧状态；所述的装配卡锁和装配卡槽用于将两个零件合并为一个整体，实现完整功能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明齿条锁外壳中的齿条锁与齿条卡接的结构示意图；
图3是本发明使用状态示意图；
图4是本发明的充磁方向和外部磁场方向示意图。
具体实施方式
包括磁感应块1、齿条2、齿条锁外壳3、弹性支撑4、卡钳5、卡锁6、装配卡槽7、齿条锁8、基体9和凹槽10，其中磁感应块1通过弹性支撑4连接到基体9上，磁感应块1的上方中部靠近基体9一侧有卡钳5，磁感应块1的前方有齿条2及齿条锁外壳3，齿条锁外壳3内有齿条锁8，齿条锁外壳3起到对齿条锁8的保护作用，齿条锁8同齿条2采用反向斜面设计，仅允许齿条2沿夹紧方向运动，齿条锁8配合齿条锁外壳3用于锁住另一侧零件的齿条2沿松弛方向运动，防止齿条2的反弹；基体9中间开有凹槽10，用于放置和保护血管或神经，基体9两侧还分别对称设置两个装配卡锁6和两个装配卡槽7，用于在装配后同另一侧的零件互相固定。
所述可植入生物体的3D打印磁控变形夹持装置是将磁性材料打印墨水、通过3D打印方法按照设计好的几何形状固化而成，完成固化之后，将其放置在强磁场中进行充磁，增加磁性，充磁方向垂直于凹槽10的轴向。
所述充磁目的在于将钕铁硼粉末的磁畴统一方向并且增加磁性；充磁方向为垂直于血管或神经的方向，充磁磁场强度为矫顽力的3～5倍。
所述磁性材料打印墨水是通过以下步骤制备获得的：
(1)将平均颗粒尺寸为0.5～2微米的钕铁硼粉末和生物相容性树脂混合，每100ml树脂混合15～25克钕铁硼粉末，加入0.06克的防氧化剂，3克的硅酸盐类分散剂，经过超声波振荡5分钟，使得钕铁硼粉末和树脂均匀混合；
(2)在打印前加入5g催化剂，均匀混合，作为磁性材料打印墨水。
所述防氧化剂采用半胱胺或虾青素。
所述硅酸盐类分散剂采用PMA25或丙二醇甲醚醋酸酯。
所述钕铁硼粉末的颗粒形状为非对称形状；
所述钕铁硼粉末的颗粒形状为椭圆扁平状或针状。
所述催化剂采用光固化树脂成型催化剂；
所述光固化树脂成型催化剂采用三苯基膦或三乙基烯丙基氯化胺。
所用生物相容性树脂一般为复合树脂，由树脂基质、稀释剂、无机填料、引发剂、阻聚剂及其它添加剂组成，生物相容性是指在特定的机体环境中，可被机体接受且无不利或不需的副反应的性质，所可用相关树脂具体参数如下：
(1)GR硬性树脂：拉伸强度85MPa，弹性模量3.8GPa，断裂伸长率3％，弯曲强度97.4MPa，弯曲模量3.2GPa，热变形温度102℃，硬度86shore D,半透明色或者黑色；
(2)UTL低粘度超韧性树脂：拉伸强度42.6MPa，弹性模量2GPa，断裂伸长率49.4％，弯曲强度42.8MPa，弯曲模量1.5GPa，硬度80shore D,半透明色或者黑色；屈服伸长率5.6％，屈服应力42.6MPa；
(3)BIO生物兼容性树脂：拉伸强度42MPa，弹性模量2.4GPa，断裂伸长率2.5％，弯曲强度65MPa，弯曲模量2GPa，热变形温度100℃，硬度80shore D,半透明黄色；
(4)PEDGA：拉伸强度1MPa，弹性模量35GPa，断裂伸长率3.5％，热变形温度40℃，硬度27shore D,半透明色或者黄色；
(5)HTL耐高温树脂：拉伸强度79.3MPa，弹性模量4.2GPa，断裂伸长率2.2％，弯曲强度120MPa，弯曲模量4GPa，热变形温度142℃，硬度90shore D,半透明色或者黄色；玻璃化温度168℃；
(6)FI柔性树脂：拉伸强度7MPa，弹性模量50MPa，断裂伸长率300％，热变形温度102℃，硬度80shore A,半透明色或者黄色。
工作原理：
生物体内装配方法包括：通过手术解剖找到需要进行压迫的血管或神经，将2个可植入生物体的3D打印磁控变形夹持装置对向合拢、扣在血管或神经11上，按压装配卡锁6，使其进入对向的装配卡锁槽7，装配卡锁6同装配卡槽7采用过盈配合，在弹性力的作用下保持2个夹持装置互相固定，对血管和神经11起到固定相对位置的作用；将齿条2插入另一侧的齿条锁外壳8内部，直到齿条锁8开始卡住齿条2；
完成在生物体内的放置后，在生物体外部施加一个磁场，作用时间3～5秒，磁场大小根据压迫模型确定；在外加磁场的作用下，磁感应块1沿弹性支撑4发生旋转，推动卡钳5向血管或神经方向移动，产生压迫，同时推动齿条2沿夹紧方向运动，齿条锁8进一步锁紧齿条；当撤去外部磁场后，在弹性支撑4的作用下，磁感应块1趋向于松开压迫，由于齿条锁8的作用，防止齿条2倒退松弛，因此在夹紧后即使移开外加磁场，2个夹持装置能够继续保持对血管或神经的压迫，适合急性或慢性血管或神经的压迫模型；用户可以根据所需要的实验模型，按照计划间隔时间施加磁场，产生不同的压迫量，实现可控的急性或慢性压迫模型；
当作为急性压迫模型使用时，用户可以在完成生物体内植入手术之后的任意时间，施加3～5秒足够强度的外部磁场，即可实现对血管或神经的压迫；其压迫量由磁场大小所确定；
当作为慢性压迫模型使用时，用户可以在完成生物体内植入手术之后的任意时间，分多次逐渐增加外部磁场强度，每次施加3～5秒，可以实现对血管或神经产生慢性压迫，即每间隔一段时间施加一次外部磁场，每次磁场强度递增。

Claims (5)

1.一种可植入生物体的3D打印磁控变形夹持装置，其特征在于：包括磁感应块、齿条、齿条锁外壳、弹性支撑、卡钳、卡锁、装配卡槽、齿条锁、基体和凹槽，其中磁感应块通过弹性支撑连接到基体上，磁感应块的上方中部靠近基体一侧有卡钳，磁感应块的前方有齿条及齿条锁外壳，齿条锁外壳内有齿条锁，基体中间开有凹槽，基体两侧还分别对称设置两个卡锁和两个装配卡槽，所述齿条具有单向斜面的防松设计，仅允许夹紧方向的运动；该装置的制备方法是：将磁性材料打印墨水、通过3D打印方法按照设计好的几何形状固化而成，完成固化之后，将其放置在强磁场中进行充磁，增加磁性，充磁方向垂直于凹槽的轴向，将两个完成充磁的磁控变形夹持装置成对放置在生物体内血管、神经或其他生物组织的外侧，装配成夹紧装置，在外部磁场强度或方向变化时产生同外部磁场趋于平行的驱动力，从而驱动所述的磁感应块沿所述的弹性支撑旋转，从而产生夹紧的作用力，推动齿条和卡钳运动；
所述磁性材料打印墨水是通过以下步骤制备获得的：
（1）将平均颗粒尺寸为0.5～2微米的钕铁硼粉末和生物相容性树脂混合，每100ml树脂混合15～25克钕铁硼粉末，加入0.06克的防氧化剂，3克的硅酸盐类分散剂，经过超声波振荡5分钟，使得钕铁硼粉末和树脂均匀混合；
（2）在打印前加入5g催化剂，均匀混合，作为磁性材料打印墨水；其中，所述钕铁硼粉末的颗粒形状为非对称形状的椭圆扁平状或针状。
2.根据权利要求1所述的可植入生物体的3D打印磁控变形夹持装置，其特征在于：所述防氧化剂采用半胱胺或虾青素。
3.根据权利要求1所述的可植入生物体的3D打印磁控变形夹持装置，其特征在于：所述硅酸盐类分散剂采用丙二醇甲醚醋酸酯。
4.根据权利要求1所述的可植入生物体的3D打印磁控变形夹持装置，其特征在于：所述催化剂采用光固化树脂成型催化剂。
5.根据权利要求4所述的可植入生物体的3D打印磁控变形夹持装置，其特征在于：所述光固化树脂成型催化剂采用三苯基膦。
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