CN117070361B - 基于聚氨酯基底的多参量仿生模体及气-液双循环装置 - Google Patents
基于聚氨酯基底的多参量仿生模体及气-液双循环装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于聚氨酯基底的多参量仿生模体及气‑液双循环装置，将WC‑783A/B液分别真空烘干8h；随后将散射剂与WC‑783A液充分混合；用超干二甲基亚砜溶液溶解IR‑125粉末，得到混合液，并将混合液与WC‑783B液混合；将WC‑783A/B混合液充分搅拌后真空干燥处理，最后通过控制匀胶机制成薄膜，在室温下固化成散射层；形成不规则分布的脂肪图案，模拟粘膜表面的脂质层；采用亚克力材料微通道模型模拟血管。仿生模体采用聚氨酯树脂作为基底材料，具有更优良的稳定性和硬度；脂质层模拟白色不透明聚集型脂滴；血管层模拟血液的血氧饱和度、血糖浓度、酸碱度、荧光强度等参数。
Description
技术领域
本发明涉及生物工程领域，尤其涉及基于聚氨酯基底的多参量仿生模体及气-液双循环装置。
背景技术
癌症的发生机制是致癌基因激活及肿瘤抑制因子缺失共同作用的结果。肿瘤的成功发长和最终转移不仅取决于肿瘤细胞的基因改变，还取决于这种突变在特定环境中所带来的适应性优势，而致癌基因是通过代谢的改变使其在独特的微环境中生存并增值。扩张早期，生长速度会超过局部血供，导致缺氧，所以会减少对有氧呼吸的依赖，并刺激新血管的形成。但血管生长过快导致生成血管畸形，畸形血管效能太低无法有效满足肿瘤需求，导致肿瘤微环境出现改变(低氧、低pH、高压)，肿瘤微环境的改变又促进肿瘤生长，形成恶性循环。血管生成是实体瘤生长及其转移能力所必需的，所以对肿瘤中的血流、血氧、PH及血糖等代谢参数的监测对评估肿瘤的生物学行为、治疗反应和患者的结局密切相关。
脂滴(也称为脂质体)是富含脂质的细胞质细胞器，在细胞信号传导、脂质代谢、膜运输和炎症介质的产生中发挥重要作用。近年来，一些研究已经描述了不同肿瘤过程中细胞内脂质积聚的增加，脂滴积聚是否直接参与了这些不同类型恶性肿瘤的形成也是目前医学光学成像技术热点研究的趋势之一。
此外，用于手术导航的近红外荧光内窥镜、显微内窥镜等一批新型内窥镜设备应运而生，提高了术中对关键人体解剖学结构定位准确度，增强了对组织病理学信息的获取，对常规内窥镜形成了很好的补充，更好地保证了手术的质量和效果。相关的设备也开始被临床广泛接受和采用。
因此，针对不同医学光学成像技术及设备亟需建立相应的标准与设备性能测试规范。而如何实现可用于不同成像方法或成像系统，且性质稳定、质量可靠、易量产、相关光学属性与人体组织真实环境高度一致的仿生模体，对此类设备进行规范地标准地评价与测试，是这类设备标准化过程中的难点。为此，我们提出了一种基于聚氨酯基底的通用型多参量仿生模体制备方法，这种新型仿体改善了以往方法的几个普遍局限性：(1)大多数固体仿体使用PDMS材料作为基底材料，但PDMS硬度不足，放置过久容易污染或变质，性能不够稳定，不利于进行长期的对照分析和验证实验；(2)以往大多数对脂质成像的研究属于回顾性研究，近几年开展的前瞻性研究多基于临床数据，缺乏基于脂质仿体的研究模型；(3)大多数仿体只关注吸收和散射这两个光学参数，对血氧、血糖、PH等生化参数没有涉及，或只提供血氧调控，但缺乏空间分布特性；等等。这里提出了一种低成本的基于聚氨酯基底的通用型多参量仿生模体制备方法。不仅可以定制空间血管纹理分布的结构参数，控制各层结构的厚度，还可以调控血流动力学参数及血氧、血糖、PH、荧光等生化参数，根据观测需要调整组织特性对应的参数，为系统设计、算法优化等技术方法对性能影响提供测试平台，验证关键见解，可作为未来标准化多参量监测设备性能测试方法的基础，具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于聚氨酯基底的多参量仿生模体及气-液双循环装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
第一方面，本发明提供了一种基于聚氨酯基底的多参量仿生模体，所述基于聚氨酯基底的多参量仿生模体通过以下步骤制备得到：
S1：真空烘箱设置95℃，抽真空，将WC-783A液和WC-783B液分别烘干8h；随后将散射剂与WC-783A液混合并充分搅拌，所述散射剂与WC-783A液的质量比为1:200～1000，得到WC-783A混合液；用超干二甲基亚砜溶液溶解IR-125粉末，得到混合液，所述超干二甲基亚砜溶液与IR-125粉末的质量比为1～20：1；并将混合液与WC-783B液按质量比1:200～1000混合，得到WC-783B混合液；按质量比1～2：1将WC-783A混合液与WC-783B混合液充分搅拌均匀后抽真空并干燥处理3～5min，得到混合材料；最后通过控制匀胶机将混合材料制成100～500μm的薄膜，干燥环境中在室温下固化成散射层，所述散射层为基于聚氨酯基底的多参量仿生模体的第二层；
S2：3D打印机定制纹理，动物油脂融化后浇筑到打印好的模型，冷却凝固脱模后形成不规则分布的脂肪图案，模拟粘膜表面的脂质层，所述脂质层为基于聚氨酯基底的多参量仿生模体的第一层；
S3：基于聚氨酯基底的多参量仿生模体的第三层采用亚克力材料微通道模型模拟血管。
进一步地，所述散射剂为二氧化钛粉末或三氧化二铝粉末。
进一步地，所述匀胶机的转速为300～1300r/min。
第二方面，本发明提供了一种气-液双循环装置，包括气体调控装置、液体循环装置以及参数检测仪，所述的气体调控装置包括氧气罐、氮气罐和三通控制器，所述氧气罐、氮气罐分别连接三通控制器的两个接口，所述液体循环装置包括通过管路依次连接形成闭合回路的洗气瓶、蠕动泵、所述的基于聚氨酯基底的多参量仿生模体以及T型连接器；所述洗气瓶底部设有磁力搅拌器；所述参数检测仪连接T型连接器；所述洗气瓶设有进气管和出气管，所述的进气管连接三通控制器的另一个接口。
进一步地，所述参数检测仪为血气分析仪、PH探针或血糖仪。
进一步地，所述三通控制器设有气体流量计。
进一步地，所述氧气罐和氮气罐均设有减压阀。
进一步地，所述进气管通入洗气瓶的底部。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中基于聚氨酯基底的多参量仿生模体的第二层采用聚氨酯树脂作为基底材料，具有更优良的稳定性和硬度；与二氧化钛、三氧化二铝等散射剂，IR-125粉末作为荧光剂配置混合液，模拟不同光学参数，制作固态仿体薄膜；WC-783型聚氨酯树脂分为A/B液两种成分，其中WC-783B液为固化液，当WC-783A/B液充分混合后，无需加热，室温下即可固化成型，操作更为简便；
(2)本发明中脂质层模拟白色不透明聚集型脂滴，以往大多数对脂质成像的研究属于回顾性研究，近几年开展的前瞻性研究多基于临床数据，缺乏基于脂质仿体的研究模型；利用3D打印机定制纹理，涂覆液体油脂，冷却固化后脱模，成本低廉；
(3)本发明中血管层模拟血液的血氧饱和度、血糖浓度、酸碱度、荧光强度等参数；具体方法为：加入不同浓度葡萄糖溶液或不同酸碱度缓冲液，通过蠕动泵及磁力搅拌器使循环内的液体充分混匀，37℃下孵育，从而调节样本血糖值或PH值；通入氮气或氧气，通过蠕动泵及磁力搅拌器使血液中的血红蛋白与气体充分作用，从而调节血氧值；加入不同浓度吲哚青绿溶液可以调节荧光强度，操作简单，调节性强；
(4)本发明中仿体的层结构设计，可以分别模拟生物组织不同结构参数、光学特性、动态特性及生化参数，弥补了以往大多数仿体参数单一、缺乏空间分布特性的问题；此外，确定的参数、材料配比及制作工艺，可以多次重复制作，保证了仿体的可靠、稳定、量产等重要性能要求，是未来标准化测试及验证平台应用的基础。
附图说明
图1为气-液双循环装置的结构示意图；
图中，1-氧气罐；2-氮气罐；3-三通控制器；4-洗气瓶；5-蠕动泵；6-基于聚氨酯基底的多参量仿生模体；7-T型连接器；8-磁力搅拌器；9-参数检测仪；10-进气管；11-出气管；12-减压阀；13-气体流量计。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加明白清楚，结合附图和实施例，对本发明进一步的详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，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，均在本发明保护范围。
实施例1：如图1所示，本发明提供了一种气-液双循环装置，包括：气体调控装置、液体循环装置以及参数检测仪9，所述的气体调控装置包括氧气罐1、氮气罐2和三通控制器3，所述氧气罐1、氮气罐2分别连接三通控制器3的两个接口，所述液体循环装置包括通过管路依次连接形成闭合回路的洗气瓶4、蠕动泵5、基于聚氨酯基底的多参量仿生模体6以及T型连接器7；所述洗气瓶4底部设有磁力搅拌器8；所述参数检测仪9连接T型连接器7；所述洗气瓶4设有进气管10和出气管11，所述的进气管10连接三通控制器3的另一个接口。所述参数检测仪9为血气分析仪、PH探针或血糖仪。所述三通控制器设有气体流量计13。所述氧气罐1和氮气罐2均设有减压阀12。所述进气管10通入洗气瓶的底部。
所述基于聚氨酯基底的多参量仿生模体通过以下步骤制备得到：
S1：真空烘箱设置95℃，抽真空，将WC-783A液和WC-783B液分别烘干8h；随后将散射剂与WC-783A液混合并充分搅拌，所述散射剂与WC-783A液的质量比为1:200～1000，得到WC-783A混合液；用超干二甲基亚砜溶液溶解IR-125粉末，得到混合液，所述超干二甲基亚砜溶液与IR-125粉末的质量比为1～20：1；并将混合液与WC-783B液按质量比1:200～1000混合，得到WC-783B混合液；按质量比1～2：1将WC-783A混合液与WC-783B混合液充分搅拌均匀后抽真空并干燥处理3～5min，得到混合材料；最后通过控制匀胶机将混合材料制成100～500μm的薄膜，干燥环境中在室温下固化成散射层，所述散射层为基于聚氨酯基底的多参量仿生模体的第二层。所述散射剂为二氧化钛粉末或三氧化二铝粉末。所述匀胶机的转速为300～1300r/min。
S2：3D打印机定制纹理，动物油脂融化后浇筑到打印好的模型，冷却凝固脱模后形成不规则分布的脂肪图案，模拟粘膜表面的脂质层，所述脂质层为基于聚氨酯基底的多参量仿生模体的第一层；
S3：基于聚氨酯基底的多参量仿生模体的第三层采用亚克力材料微通道模型模拟血管。
实施例2：本实施例采用润泽实验室的LM60智能罐装型蠕动泵，具有校准模式、连续模式、预约模式、定量模式四种功能，转速范围1-400rpm，转速分辨率±0.1rpm，正反转可逆转，过液流量范围0-1672ml/min，57进口步进电机可精确控制转动角度，高精度分配和计量，六砖子稳定性更高，功率35W，整机3.5kg，手持便携。将设定流量进行流量校正可以获得试剂流量值与转速的比值。本实施例采用四川莱峰流体设备制造有限公司的热式质量流量控制器MFC：LF420-S，介质：氮气，量程：0.1SLM，量程比：50:1，最大耐压：3MPa，使用压差：0.1-0.4MPa，精度：±1％F.S，接头尺寸：6mm快插；响应时间：1s-3s，输入输出信号：4-20ma；工作电源：24VDC。配合使用LF-1S流量显示仪，220V供电，配合流量控制器使用，为流量控制器供电，显示流量，调节流量大小。本实施例采用雅培便携式血气分析仪及配套的G3+试剂卡测试血气特性，测量结果包括氧分压PCO2(测量精度1mmHg)、二氧化碳分压PCO2(测量精度0.1mmHg)、酸碱度PH(测量精度0.001)、血氧饱和度SO2(1％)等参数。本实施例采用磁力搅拌器MS-10L最大搅拌量10L，可正反转，转数范围50-1500rpm，调速精度±10rpm/min，定时范围23h/59min/59sec，整机功率20W。
本发明涉及一种气-液双循环系统。如图1所示，根据示意图的顺序连接各设备，氧气采用99.9％医用纯氧，氮气同样是99.9％的浓度，通过三通连接两只气罐与气体流量计，并且控制气体的导入、断开、流量、流速，气体通入洗气瓶。洗气瓶内导入新鲜无菌抗凝牛全血，牛全血和人体血液特性相似，常用于模拟血液研究，用新鲜无菌抗凝牛全血可以直接模拟人体血液的吸收特性和血细胞的氧合特性，优于用鸡血、印度墨水、英脱利匹特(intralipid)、磷酸盐缓冲液(PBS)、氢氧化钠、盐酸等试剂调配血红蛋白溶液的液体仿体测试方案。使用双气罐洗气的方法调节血氧饱和度可以进行反复精调，也优于使用注射泵逐滴加入低亚二硫酸钠(Sodium hydrosulfite)溶液或酵母等还原剂的调节方法，且密闭的洗气瓶可以有效防止外界空气对样本的影响，优于将液体仿体至于充满氩气容器的防干扰方案。定制的下端双开口的洗气瓶置于磁力搅拌器上，下端开口与蠕动泵、基于聚氨酯基底的多参量仿生模体以及T型连接器连接成闭合回路，蠕动泵调控整个回路方向、流量、流速等动力学参数，磁力搅拌器保持洗气瓶内样本流动，不会凝结或分层。采用润泽实验室的LM60智能罐装型蠕动泵，具有校准模式、连续模式、预约模式、定量模式四种功能，转速范围1-400rpm，转速分辨率±0.1rpm，正反转可逆转，过液流量范围0-1672ml/min，57进口步进电机可精确控制转动角度，高精度分配和计量，六砖子稳定性更高，功率35W，整机3.5kg，手持便携。将设定流量进行流量校正可以获得试剂流量值与转速的比值。本实施例采用四川莱峰流体设备制造有限公司的热式质量流量控制器MFC：LF420-S，介质：氮气，量程：0.1SLM，量程比：50:1，最大耐压：3MPa，使用压差：0.1-0.4MPa，精度：±1％F.S，接头尺寸：6mm快插；响应时间：1s-3s，输入输出信号：4-20ma；工作电源：24VDC。
本实施例采用雅培便携式血气分析仪及配套的G3+试剂卡测试血气特性，用以测量酸碱度PH(测量精度0.001)和血氧饱和度SO2(1％)参数。其中，PH是由直接电压测定法检测，PH浓度和电压的关系通过Nernst方程式反映，测试条件为37℃，检测范围：6.5-8.0，精密度≤0.1％。具体操作方法：在系统稳定后，即停止气体和液体循环维持各参数不变，经T型连接器，用注射器抽取0.5ml溶液样本，注入一张新的G3+试剂卡，插入血气分析仪，等待约2分钟，读数得到酸碱度和血氧饱和度参数。
本实施例采用拜尔(BAYER)血糖仪，反应原理为FAD-葡萄糖脱氢敏+电化学，红细胞积压范围：0％-70％，监测所需血样量0.6微升，检测范围：0.6-33.3mmol/l，检测时间为5秒，测试湿度：10％-93％相对湿度，95％以上检测结果偏差低于±10％，存储480条测试结果。具体操作方法：在系统稳定后，即停止气体和液体循环维持各参数不变，经T型连接器，用注射器抽取0.1ml溶液样本，滴入一张新的血糖试纸，插入血糖仪，等待约30秒，读数得到血糖参数。
本实施例黏膜层结构考虑具体研究对象的实际情况进行定制。以消化道的胃腔为例，根据生物组织光学特性，提供了一种基于聚氨酯基底的多参量仿生模体，通过以下步骤制备得到：
S1：真空烘箱设置95℃，抽真空，将WC-783A液和WC-783B液分别置于烘箱内烘干8h；随后将二氧化钛粉末与WC-783A液混合并充分搅拌，所述二氧化钛粉末与WC-783A液的质量比为1：1000，得到WC-783A混合液；用注射器抽取1克超干二甲基亚砜溶液溶解0.01克IR-125粉末，得到混合液，所述IR-125粉末为荧光剂；并将混合液与WC-783B液按质量比为1：1000混合，得到WC-783B混合液；按质量比1:1将WC-783A混合液与WC-783B混合液充分搅拌均匀后放入真空罐，罐中放入干燥剂，抽真空处理5min，得到混合材料；最后通过控制匀胶机转速在转速为700r/min下将混合物分别制成150μm的薄膜，放入干燥罐，室温下固化成散射层，所述散射层为基于聚氨酯基底的多参量仿生模体的第二层。
S2：3D打印机定制纹理，动物油脂融化后浇筑到打印好的模型，冷却凝固脱模后形成不规则分布的脂肪图案，模拟粘膜表面的脂质层，所述脂质层为基于聚氨酯基底的多参量仿生模体的第一层。
脂质层模拟白色不透明聚集型脂滴。利用3D打印机定制纹理，涂覆液体油脂，冷却固化后脱模，该方法操作简易，成本低廉。
3D打印机的打印精度即脂质层的制备精度约0.5～1mm。
S3：基于聚氨酯基底的多参量仿生模体的第三层采用亚克力材料微通道模型模拟血管。
如图1所示，根据示意图的顺序连接各设备，本实施例中血管层亚克力材料微通道模型可以模拟血管的空间分布，内部循环血液样本，洗气瓶作为主要调控单元调节血氧饱和度、血糖浓度、酸碱度、荧光强度等参数。加入不同浓度葡萄糖溶液或不同酸碱度缓冲液，通过蠕动泵及磁力搅拌器使循环内的液体充分混匀，37℃下孵育，从而调节样本血糖值或PH值；通入氮气或氧气，通过蠕动泵及磁力搅拌器使血液中的血红蛋白与气体充分作用，从而调节血氧值；进而布局基于聚氨酯基底的多参量仿生模体的不同结构参数、光学参数、动态参数以及生化参数的空间分布。
实施例3：加入不同浓度葡萄糖溶液或不同酸碱度缓冲液，通过蠕动泵及磁力搅拌器使循环内的液体充分混匀，37℃下孵育，从而调节样本血糖值或PH值；通入氮气或氧气，通过蠕动泵及磁力搅拌器使血液中的血红蛋白与气体充分作用，从而调节血氧值；通过加入吲哚菁绿(ICG)或IR-125等荧光剂调节荧光强度，进而布局基于聚氨酯基底的多参量仿生模体的不同结构参数、光学参数、动态参数以及生化参数的空间分布。
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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (7)
1.一种基于聚氨酯基底的多参量仿生模体，其特征在于，所述基于聚氨酯基底的多参量仿生模体通过以下步骤制备得到：
S1：真空烘箱设置95℃，抽真空，将WC-783A液和WC-783B液分别烘干8h；随后将散射剂与WC-783A液混合并充分搅拌，所述散射剂与WC-783A液的质量比为1:200～1000，得到WC-783A混合液；用超干二甲基亚砜溶液溶解IR-125粉末，得到混合液，所述超干二甲基亚砜溶液与IR-125粉末的质量比为1～20：1；并将混合液与WC-783B液按质量比1:200～1000混合，得到WC-783B混合液；按质量比1～2：1将WC-783A混合液与WC-783B混合液充分搅拌均匀后抽真空并干燥处理3～5min，得到混合材料；最后通过控制匀胶机将混合材料制成100～500μm的薄膜，干燥环境中在室温下固化成散射层，所述散射层为基于聚氨酯基底的多参量仿生模体的第二层；
S2：3D打印机定制纹理，动物油脂融化后浇筑到打印好的模型，冷却凝固脱模后形成不规则分布的脂肪图案，模拟粘膜表面的脂质层，所述脂质层为基于聚氨酯基底的多参量仿生模体的第一层；
S3：基于聚氨酯基底的多参量仿生模体的第三层采用亚克力材料微通道模型模拟血管。
2.根据权利要求1所述的一种基于聚氨酯基底的多参量仿生模体，其特征在于，所述散射剂为二氧化钛粉末或三氧化二铝粉末。
3.根据权利要求1所述的一种基于聚氨酯基底的多参量仿生模体，其特征在于，所述匀胶机的转速为300～1300r/min。
4.一种气-液双循环装置，其特征在于，包括气体调控装置、液体循环装置以及参数检测仪，所述的气体调控装置包括氧气罐、氮气罐和三通控制器，所述氧气罐、氮气罐分别连接三通控制器的两个接口，所述液体循环装置包括通过管路依次连接形成闭合回路的洗气瓶、蠕动泵、权利要求1所述的基于聚氨酯基底的多参量仿生模体以及T型连接器；所述洗气瓶底部设有磁力搅拌器；所述参数检测仪连接T型连接器；所述洗气瓶设有进气管和出气管，所述的进气管连接三通控制器的另一个接口；所述进气管通入洗气瓶的底部。
5.根据权利要求4所述的一种气-液双循环装置，其特征在于，所述参数检测仪为血气分析仪、PH探针或血糖仪。
6.根据权利要求4所述的一种气-液双循环装置，其特征在于，所述三通控制器设有气体流量计。
7.根据权利要求4所述的一种气-液双循环装置，其特征在于，所述氧气罐和氮气罐均设有减压阀。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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