CN114495669B - 一种仿生脏器用复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种仿生脏器用复合材料，包括骨架材料和填充材料，所述填充材料填充在所述骨架材料围成的脏器腔体内；所述骨架材料包括发泡材料，所述填充材料包括硅橡胶和/或明胶。本发明利用多种材料复合构造模拟脏器，体现脏器内外构成的差异，从而能够更为逼真地模拟出人体脏器遭受高速撞击时的毁损效应，以便研究人员能够从创口了解子弹或弹片对脏器的破坏机理和运动变化，从而便于为受伤人员的诊治提供更科学的依据，进而降低致残率和致死率。

Description

一种仿生脏器用复合材料
技术领域
本发明涉及材料仿生技术领域。具体地说是一种仿生脏器用复合材料。
背景技术
人体受到高速撞击时，不仅可能出现皮肤受损，内部脏器也会受损。例如，当子弹或弹片击穿皮肤进入人体后，有可能造成人体脏器损伤。而为了研究高速撞击致使人体脏器受伤机理以及毁损效应等，人们制作仿生脏器或者利用动物脏器来进行研究。动物脏器与人体脏器存在一定程度上的差异，在受伤机理和毁损效应上不能完全或较为逼真地体现人体脏器受伤机理和毁损效应，而采用人体脏器来研究高速撞击对人体脏器的毁损效应，则受限于脏器来源。目前较为大规模使用的脏器为采用单一高分子材料模拟而成的脏器，虽然在一定程度上能够体现出人体脏器受损机理和毁损效应，但无法满足深入的研究，譬如子弹或弹片击中不同脏器后发生的运动状况的研究，子弹或弹片射入深度不同带来的毁损效应以及创口特点等的研究，这些研究将为受伤人员的诊治提供更为科学的依据，同时还为武器的改进提供科学依据。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种仿生脏器用复合材料，利用多种材料复合构造模拟脏器，体现脏器内外构成的差异，从而能够更为逼真地模拟出人体脏器遭受高速撞击时的毁损效应，以便研究人员能够从创口了解子弹或弹片对脏器的破坏机理和运动变化，从而便于为受伤人员的诊治提供更科学的依据，进而降低致残率和致死率。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种仿生脏器用复合材料，包括骨架材料和填充材料，所述填充材料填充在所述骨架材料围成的脏器腔体内；所述骨架材料包括发泡材料，所述填充材料包括硅橡胶和/或明胶。
上述仿生脏器用复合材料，所述骨架材料还包括螺旋纤维段，所述螺旋纤维段为具有大于或等于1个螺旋结构的纤维段，所述螺旋纤维段松弛状态下的长度为5～15mm；所述螺旋纤维段设置在所述发泡材料内；制备所述螺旋纤维段的材料与制备所述发泡材料的区别在于不含发泡剂。
上述仿生脏器用复合材料，所述骨架材料还包括波浪纤维段，所述波浪纤维段为在长度方向上具有大于或等于1个波浪结构的纤维段，所述波浪纤维段松弛状态的长度为6～18mm；所述波浪纤维段设在所述发泡材料内；制备所述波浪纤维段的材料与制备所述发泡材料的区别在于不含发泡剂。
上述仿生脏器用复合材料，所述脏器腔体内表面设置有粘接材料，所述骨架材料通过所述粘接材料与所述填充材料粘接。
上述仿生脏器用复合材料，所述粘接材料为聚醋酸乙烯酯。
上述仿生脏器用复合材料，所述脏器腔体外表面上设有隔离包裹材料，所述隔离包裹材料包括聚乙烯薄膜和隔离涂覆材料，所述聚乙烯薄膜包裹在所述脏器腔体外壁上，所述隔离涂覆材料覆盖在所述聚乙烯薄膜远离所述脏器腔体的表面上。
上述仿生脏器用复合材料，所述聚乙烯薄膜包裹在所述脏器腔体外壁上时采用冷热包覆法，具体方法为：将所述脏器腔体预热至50～70℃并保温2～5min，然后将温度为15～25℃的聚乙烯薄膜包裹在脏器腔体外壁上，贴敷压合60～150s，即可完成所述聚乙烯薄膜对所述脏器腔体的外壁包裹。
上述仿生脏器用复合材料，所述脏器腔体由所述发泡材料浇注而成；在利用所述发泡材料浇注所述脏器腔体时，浇注前，将涂有脱模剂的不锈钢棒插入模具内，浇注时开始30s后以1cm/s的速度将所述不锈钢棒从模具内提出；所述不锈钢棒直径0.5～1.2mm，所述不锈钢棒插入所述模具内的长度为所述模具深度的2/(3～4)。
上述仿生脏器用复合材料，所述发泡材料为双组份聚氨酯，所述双组份聚氨酯由以下组分组成：
A组份：多元醇55～80重量份、发泡剂3～5重量份、水0.4～0.8重量份、阻燃剂20～30重量份、表面活性剂0.8～1.6重量份和催化剂2.2～2.7重量份；
B组份：多异氰酸酯80～110重量份。
上述仿生脏器用复合材料，在浇注所述脏器腔体的过程中，在开始浇注至浇注开始后120s内升温至45～50℃，然后开始降温至28～30℃，接着保温至反应结束。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
1.本发明利用发泡材料充当脏器骨架，利用明胶或硅橡胶填充脏器内部，构造仿生脏器的内外材质差异，从脏器结构和材质差异上对脏器进行仿生，便于较为逼真的反映子弹或弹片对脏器的毁损效应。
2.通过在发泡材料内部设置螺旋纤维段或者波浪纤维段来增加发泡材料的抗撕裂能力，从而实现对脏器器壁内存在的结缔组织进行模拟，从而在子弹或弹片射入脏器后能够更逼真地反映脏器结构对子弹或弹片运动形态的影响，例如脏器内的筋挤压弹头侧壁使得弹头发生偏转等，如果只用一种材料进行浇注，那么很难反映出这一现象。
附图说明
图1为利用仿生脏器用复合材料制成的人体心脏仿生体的结构示意图；
图2为螺旋纤维段结构示意图；
图3为波浪纤维段结构示意图。
具体实施方式
本实施例中，采用仿生脏器用复合材料制备人体心脏的仿生体，如图1所示，图中，图例1为骨架材料围成的心脏腔体，图例2为填充材料，图例3为螺旋纤维段，聚乙烯薄膜和聚醋酸乙烯酯形成的结构层均未示出，且部分填充材料也未示出。
以双组份聚氨酯充当骨架材料，浇注心脏腔体，利用明胶作为填充材料，填充心脏腔体的内部空间。所述双组份聚氨酯由以下组分组成：
A组份：74重量份的生物基聚醚多元醇、4.1重量份发泡剂141B、0.68重量份的水、26重量份的阻燃剂TCPP、1.3重量份的表面活性剂迈图L6950和2.4重量份的催化剂CUCAT-HA01；
B组份：多亚甲基多苯基多异氰酸酯PM200 97重量份。
其中，依照人体心脏的3D模型利用明胶制成人体心脏内部空腔中填充材料结构体，然后在填充材料结构体表面涂覆一层聚醋酸乙烯酯，再利用填充材料结构体和人体心脏腔体模具浇注心脏腔体，待心脏腔体浇注完成后，将心脏腔体加热至63℃并保温3min，然后将温度为室温的聚乙烯薄膜包裹在心脏腔体外壁上，且要保证聚乙烯薄膜与心脏腔体紧密贴合，然后在压力为20～30N的压合贴敷110s，接着在聚乙烯薄膜表面均匀涂上动物油脂，即可完成人体心脏的仿生体制备。采用低温聚乙烯薄膜与高温心脏腔体进行贴敷压合，一个目的是为了消除或最大限度地聚乙烯薄膜与心脏腔体外壁之间的空隙，另一个原因是避免聚乙烯薄膜被轻易拉伸变形，保证贴敷在心脏腔体上聚乙烯薄膜厚度的均匀性和一致性。
浇注心脏腔体时，在人体心脏腔体模具内加入螺旋纤维段，然后再进行人体心脏腔体的浇注。所述螺旋纤维段为具有大于或等于6个螺旋结构的纤维段，如图2所示，所述螺旋纤维段松弛状态下的长度为8～12mm；制备所述螺旋纤维段的材料与制备所述发泡材料的区别在于不含发泡剂。所述螺旋纤维段不仅可以增加心脏腔体的力学性能，还可以模拟创面的结缔组织的粘连作用，而螺旋结构可以增加所述螺旋纤维段的展开和拉伸总长度。加入如图3所示的波浪纤维段也具有同样的技术效果。
并且在浇注心脏腔体时，浇注前，将涂有脱模剂的不锈钢棒插入模具内，浇注时开始30s后以1cm/s的速度将所述不锈钢棒从模具内提出；所述不锈钢棒直径0.7mm，所述不锈钢棒插入所述模具内的长度为所述模具深度的2/3。而且在开始浇注至浇注开始后120s内升温至45～50℃，然后开始降温至28～30℃，接着保温至反应结束。将不锈钢棒插入模具内并在浇注过程中按照一定的速度取出，不仅有利于控制浇注体内部的反应温度，同时还可以提高发泡材料气泡大小的均匀度，其原因在于：不锈钢棒作为良好的导热材料，可以及时将反应产生的热量从反应溶液内部导出并散去，同时随着不锈钢棒的移出，反应溶液内部因为不锈钢棒的移动而出现压力减小的现象，有利于发泡材料内部气室的扩大，从而使发泡材料内部的气室与发泡材料表层的气室大小较为接近。
在未涂动物油脂时，通过触感对人体心脏仿生体和猪心脏进行评估，人体心脏仿生体的触感与猪心脏的触感极为相同，唯一区别在于聚乙烯薄膜较为柔软且容易因静电与手发生吸附。而当涂上动物油之后，人体心脏仿生体与其他脏器仿生体不会黏连，也不会因为之间摩擦力较大而发生联动。
将制成的人体心脏仿生体与猪心脏进行压痕测试和吸管法测试，人体心脏仿生体与猪心脏具有较为接近的软材料力学性质。而当用高速形状不规则玻片撞击人体心脏仿生体和猪心脏后，人体心脏仿生体上形成的创口出现了聚乙烯薄膜与心脏腔体轻微剥离现象，这一点与猪心脏上的创口处情形相同。而当形状不规则玻片进入人体心脏仿生体后，受到螺旋纤维段的影响，形状不规则玻片的运动轨迹发生了偏转，这一点与猪心脏中筋对形状不规则玻片的影响是相同的，尤其是当形状不规则玻片的速度急速下降之后。这样有利于研究弹片或者子弹对人体的毁伤效应和致伤机理，便于医护人员对受伤人员进行伤口的清创和治疗，也便于武器研发人员改进武器，提高武器的毁伤效果。
而采用与制作心脏腔体相似的原料制作螺旋纤维段，其目的为了增强螺旋纤维段与心脏腔体的结合度，避免子弹或弹片将螺旋纤维段轻易地从心脏腔体的聚氨酯发泡材料内拉出，在提高心脏腔体的抗撕裂能力的同时，还避免脏器腔体抗撕裂能力过强，从而可以使制作出的仿生脏器与实际的脏器在力学性能和结构构成上更为接近。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种仿生脏器用复合材料，其特征在于，包括骨架材料和填充材料，所述填充材料填充在所述骨架材料围成的脏器腔体内；所述骨架材料包括发泡材料，所述填充材料包括硅橡胶和/或明胶；所述脏器腔体外表面上设有隔离包裹材料，所述隔离包裹材料包括聚乙烯薄膜和隔离涂覆材料，所述聚乙烯薄膜包裹在所述脏器腔体外壁上，所述隔离涂覆材料覆盖在所述聚乙烯薄膜远离所述脏器腔体的表面上；所述聚乙烯薄膜包裹在所述脏器腔体外壁上时采用冷热包覆法，具体方法为：将所述脏器腔体预热至50～70℃并保温2～5min，然后将温度为15～25℃的聚乙烯薄膜包裹在脏器腔体外壁上，贴敷压合60～150s，即可完成所述聚乙烯薄膜对所述脏器腔体的外壁包裹。
2.根据权利要求1所述的仿生脏器用复合材料，其特征在于，所述骨架材料还包括螺旋纤维段，所述螺旋纤维段为具有大于或等于1个螺旋结构的纤维段，所述螺旋纤维段松弛状态下的长度为5～15mm；所述螺旋纤维段设置在所述发泡材料内；制备所述螺旋纤维段的材料与制备所述发泡材料的区别在于不含发泡剂。
3.根据权利要求1所述的仿生脏器用复合材料，其特征在于，所述骨架材料还包括波浪纤维段，所述波浪纤维段为在长度方向上具有大于或等于1个波浪结构的纤维段，所述波浪纤维段松弛状态的长度为6～18mm；所述波浪纤维段设在所述发泡材料内；制备所述波浪纤维段的材料与制备所述发泡材料的区别在于不含发泡剂。
4.根据权利要求1所述的仿生脏器用复合材料，其特征在于，所述脏器腔体内表面设置有粘接材料，所述骨架材料通过所述粘接材料与所述填充材料粘接。
5.根据权利要求4所述的仿生脏器用复合材料，其特征在于，所述粘接材料为聚醋酸乙烯酯。
6.根据权利要求1～5任一所述的仿生脏器用复合材料，其特征在于，所述脏器腔体由所述发泡材料浇注而成；在利用所述发泡材料浇注所述脏器腔体时，浇注前，将涂有脱模剂的不锈钢棒插入模具内，浇注时开始30s后以1cm/s的速度将所述不锈钢棒从模具内提出；所述不锈钢棒直径0.5～1.2mm，所述不锈钢棒插入所述模具内的长度为所述模具深度的2/(3～4)。
7.根据权利要求6所述的仿生脏器用复合材料，其特征在于，所述发泡材料为双组份聚氨酯，所述双组份聚氨酯由以下组分组成：
A组份：多元醇55～80重量份、发泡剂3～5重量份、水0.4～0.8重量份、阻燃剂20～30重量份、表面活性剂0.8～1.6重量份和催化剂2.2～2.7重量份；
B组份：多异氰酸酯80～110重量份。
8.根据权利要求7所述的仿生脏器用复合材料，其特征在于，在浇注所述脏器腔体的过程中，在开始浇注至浇注开始后120s内升温至45～50℃，然后开始降温至28～30℃，接着保温至反应结束。
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