一种模拟人体脑组织变形的PVA-C脑模型的制备方法

摘要

本发明提出一种模拟脑组织变形的PVA-C脑模型的制备方法，用于模拟外伤、手术等带来的人体脑组织变形。其特征是通过将一定质量比的PVA和去离子水混合，高温高压下形成溶液，在特定模具中经过数次冷冻-解冻方法得到满足性能的脑模型。本发明所制备的样品与人体大脑组织力学状态接近，变形率在20%内，扬氏模量接近3Kpa，应力应变曲线接近线性，可在脑模型中埋置标志点，跟踪受力过程不同力学状态下脑模型的变形情况。

说明书

技术领域

本发明涉及新型仿生材料技术领域，具体的说，涉及一种模拟人体脑组织变 形的PVA-C脑模型的制备方法。

背景技术

大脑在经受外部撞击、手术等情况下可能会发生变形，给大脑安全带来威胁， 因此制备出力学状态与真实人脑相似的脑模型来模拟外伤、手术等带来的脑变 形，对于研究大脑损伤十分重要。人类的大脑是所有器官中最复杂的一部份， 并且是所有神经系统的中枢，大脑的损伤会严重影响患者的生活、劳动能力。 大脑在受到撞击后，大脑会发生变形，受到损伤，为了探究不同的碰撞对于大 脑的损伤，需要大脑模型模拟不同撞击，获得大脑变形损伤的数据。神经外科 的神经导航手术，对大脑进行开颅手术后，大脑组织由于是非刚性体，受重力 作用、组织生物力学属性、颅内压变化以及手术操作的影响，术中随麻醉、开 颅、脱水、脑脊液引流以及组织切除等，常会发生脑变形，术中脑组织变形程 度如果超过允许的误差范围，将严重影响神经导航手术的准确性和安全性。因 此手术中纠正脑变形是当前神经导航外科领域的研究热点及发展方向。

人体内的大脑的主要成分是水，其力学状态类似于“豆腐脑”，聚乙烯醇（PVA） 水凝胶是由高分子的三维交联网络与大量水组成的多元体系，跟人脑成分相似。 聚乙烯醇水凝胶具有较弱的力学性能，能保持自身形状，满足制备与人脑力学 状态相似的脑模型要求。因此此发明的人体脑组织变形的PVA-C脑模型采用聚 乙烯醇水凝胶制成，其变形率在20%内，扬氏模量接近3Kpa，应力应变曲线接 近线性，达到了脑模型的性能要求。制备的PVA-C(半晶聚乙烯醇水凝胶）脑模 型中可埋置标志点，跟踪受力过程不同力学状态下脑模型的变形情况。

发明内容

本发明提供了一种模拟人体脑组织变形的PVA-C脑模型的制备方法，制备出 与人脑力学状态相似的、达到脑组织变形模拟研究的性能要求（变形率在20% 内，扬氏模量接近3Kpa，应力应变曲线接近线性）。

该制备方法包括以下步骤：

步骤1、将聚乙烯醇和去离子水混合成混合液；其中，混合液中聚乙烯醇和 混合液之间的质量比为3%‐5%；

步骤2、将步骤1配置的混合液在高温高压下高温熔化2‐4小时，得到溶液； 其中，在所述高温熔化过程中的压力为1‐3Mpa，温度为120‐140℃；

步骤3、将步骤2得到的溶液浇注至脑模型模具；

步骤4、将浇注溶液后的脑模型模具冷却到室温后，开始冷冻‐解冻循环：在 (‐30)-(‐20)℃冷冻8‐12小时，冷冻后在0‐5℃缓冷4‐6小时，然后在室温解冻12‐16 小时，完成冷冻‐解冻循环；

步骤5、重复执行N次步骤4中的冷冻‐解冻循环，脱模得到PVA‐C脑模型。

优选地，步骤1中所述聚乙烯醇为平均聚合度为1750‐2699的聚乙烯醇颗粒。

优选地，在步骤2的高温熔化过程中进行搅拌，确保溶液的均匀性。

优选地，在步骤3和步骤4之间还包括步骤：用细线悬挂标志点于脑模型模 具中溶液的特定位置,实现在脑模型中埋置标志点。

优选地，N=1或2。

附图说明

图1为发明的PVA-C脑模型成品。

图2为PVA-C脑模型压缩应力应变曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1：

本实施例描述了一种模拟人体脑组织变形的PVA-C脑模型的制备方法。

a)称取一定质量的平均聚合度为1750的聚乙烯醇颗粒，加入去离子水， 用玻璃棒搅拌均匀，配置成混合液。其中，混合液中聚乙烯醇的质量分数（即 聚乙烯醇和混合后的混合液之间的质量比）为5%。

b)将称取好的混合液放入高压釜中1.5Mpa，温度120℃熔化2h，得到溶 液，高温熔化过程中高压釜内设置搅拌器来确保溶液的均匀性。

c)溶液从出料口浇注入脑模型模具中成型，使溶液充分填充模具空隙。

d)根据需要，可在脑模型中埋置标志点，如利用细绳悬挂标志点于脑模型 模具中溶液的特定位置固定。

e)将浇注满溶液的模具冷却到室温后开始冷冻‐解冻循环，所述冷冻-解冻 循环为：将其放入冰箱中-20℃冷冻8h，冷冻后0℃缓冷6h，然后在室温解冻 12h，完成一次冷冻-解冻循环，使标志点得到固定。如此反复完成两个循环后 脱模得到PVA-C脑模型。

实施例2

本实施例描述了一种模拟人体脑组织变形的PVA-C脑模型的制备方法。

a)称取一定质量的平均聚合度为2099的聚乙烯醇颗粒，加入去离子水，用 玻璃棒搅拌均匀，配置成混合液。其中，混合液中聚乙烯醇的质量分数为3.5%。

b)将称取好的混合液放入高压釜中2Mpa，温度130℃熔化3h，得到溶液， 高温熔化过程中高压釜内设置搅拌器来确保溶液的均匀性。

c)溶液从出料口浇注入脑模型模具中成型，使溶液充分填充模具空隙。

d)将浇注满溶液的模具冷却到室温后开始冷冻‐解冻循环，所述冷冻-解冻循 环为：将其放入冰箱中-25℃冷冻9h，冷冻后3℃缓冷5h，然后在室温解冻14h， 完成一次冷冻-解冻循环。如此反复完成两个循环后脱模得到PVA-C脑模型。

实施例3

本实施例描述了一种模拟人体脑组织变形的PVA-C脑模型的制备方法。

a)称取一定质量的平均聚合度为2499的聚乙烯醇颗粒，加入去离子水，用 玻璃棒搅拌均匀，配置成混合液。其中，混合液中聚乙烯醇的质量分数为3%。

b)将称取好的混合液放入高压釜中3Mpa，温度140℃熔化4h，得到溶液， 熔化过程中高压釜内设置搅拌器来确保溶液的均匀性。

c)溶液从出料口浇注入脑模型模具中成型，使溶液充分填充模具空隙。

d)将浇注满溶液的模具冷却到室温后开始冷冻‐解冻循环，所述冷冻-解冻循 环为：将其放入冰箱中-25℃冷冻12h，冷冻后5℃缓冷6h，然后在室温解冻16h， 完成一次冷冻-解冻循环。如此反复完成两个循环后脱模得到PVA-C脑模型。

如图2所示，本发明制备出的PVA-C脑模型，变形率在20%内，扬氏模量接 近3Kpa，应力应变曲线接近线性。

本发明中PVA-C脑模型的制备过程中，冷冻-解冻循环重复的次数可以根据 需要进行调整，通常可重复1到2次，即共完成2到3次冷冻‐解冻循环；此外， 由于在本发明的脑模型中可埋置标志点，跟踪在受力状态下的变形情况，进一 步满足PVA-C脑模型的性能要求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言， 可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变 化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。