朱 侗 高德東 趙廣偉

（青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，青海 西寧 810016）

水凝膠是目前國內(nèi)外研究制備生物軟組織假體最常用的高分子材料。水凝膠能夠在水中溶脹并保持大量水分子而不溶解，是一種膠態(tài)物質(zhì)，具有很強(qiáng)的溶脹性、吸水性、脫水收縮性、觸變性、生物相容性和粘彈性。這些性質(zhì)使得水凝膠可以作為生物軟組織假體，因此引起許多相關(guān)的科研工作者的重視并進(jìn)行了廣泛的研究。

本文調(diào)研了當(dāng)前醫(yī)用仿生材料的使用情況，選用了一種被廣泛應(yīng)用于生物工程領(lǐng)域的材料——聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）水凝膠。聚乙烯醇水凝膠是一種透明度良好，組織性能與生物軟組織相似的高分子材料，在生物醫(yī)學(xué)和實(shí)驗(yàn)方面的用途非常廣泛，可以作為人造皮膚，人造肌肉等人工代用品[2]，本文詳細(xì)介紹了聚乙烯醇水凝膠的制備方法及制備過程，找出了與肝臟樣本比較接近的水凝膠制備參數(shù)。

1 聚乙烯醇水凝膠制備實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

聚乙烯醇水凝膠主要由聚乙烯醇和去離子水制得，通過冷凍-解凍循環(huán)來得到。通過“凍結(jié)”的方法使得原來相對流動性較大的分子鏈有氫鍵和范德華力結(jié)合起來，解凍后結(jié)合的分子鏈不再分開，使得水凝膠擁有較好的機(jī)械、彈性性能，與生物軟組織非常接近。利用水和二甲基亞砜（DMSO）混合液作為溶劑來溶解聚乙烯醇，可制備出高透明度水凝膠[3]。因?yàn)橛煤卸谆鶃嗧康乃芤褐苽涞乃z其結(jié)晶區(qū)尺寸可能與入射光波長接近，導(dǎo)致在聚乙烯醇晶區(qū)體積不變的情況下，入射光波長增大其透光率也相應(yīng)提高[4]。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

制備PVA水凝膠所需要的主要材料為聚乙烯醇和二甲基亞砜以及去離子水，本實(shí)驗(yàn)中制備和保存假體的水均為去離子水。聚乙烯醇常溫下是固態(tài)顆粒，其揮發(fā)物小于等于百分之五，pH值在室溫下是5～7，粘度在室溫下為 54.0mPa·s～66.0mPa·s。二甲基亞砜常溫下是液態(tài)，其分子式為(CH3)2SOC2H6OS，分子量是 78.14，室溫下的密度是1.098g/mL～1.105g/mL，凝固點(diǎn)為18.0℃～20.0℃。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

制備聚乙烯醇水凝膠所需要的實(shí)驗(yàn)儀器包括85-2型恒溫磁力攪拌器和電接點(diǎn)溫度計(jì),JM-B型精密電子天平,FYLYS-30L型的壓縮機(jī)車載冰箱，DR81型透光率儀以及型號為ML01.4A1的精密運(yùn)動針穿刺平臺，18G介入穿刺針等設(shè)備，還有燒杯、量筒、滴管等量具。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）用天平稱取60g二甲基亞砜，用量筒稱取40ml去離子水，將二者混合倒入燒杯中，作為溶劑，再用天平稱取聚乙烯醇6g作為溶質(zhì)，將其倒入溶劑中攪拌均勻。

（2）將混合好的溶液放在攪拌器的水浴鍋中，溫度設(shè)為90攝氏度，攪拌2-3個(gè)小時(shí)，使其變成均勻的溶液，溶液呈無色透明狀，有較高的粘度。

（3）將制備好的溶液倒入模具并放于冰箱中，在室溫中冷卻2小時(shí)，并在零下20攝氏度中冷凍12小時(shí)，然后，取出放到室溫下，使其逐漸解凍。其中,冷凍-解凍為一次循環(huán)。

（4）按照以上相同的方法，分別制作幾組聚乙烯醇水凝膠，其中二甲基亞砜溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50%、60%、70%,聚乙烯醇的質(zhì)量分別為6g,8g,10g,12g。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 聚乙烯醇水凝膠透光率測定

解凍后，使用DR81型透光率儀測定水凝膠透光率。去除實(shí)驗(yàn)壞點(diǎn)后，透光率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同配比聚乙烯醇水凝膠透光率

表2 不同配比聚乙烯醇水凝膠穿刺力峰值

可知當(dāng)聚乙烯醇含量在6%到12%之間時(shí)，聚乙烯醇水凝膠的透光率主要受二甲基亞砜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。隨著二甲基亞砜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，透光率增大。

2.2 聚乙烯醇水凝膠力學(xué)性能測定

本實(shí)驗(yàn)采用型號為18G，長度為200mm的介入穿刺針，以5mm/s的速度對制成的聚乙烯醇水凝膠假體和新鮮豬肝組織進(jìn)行針穿刺實(shí)驗(yàn)。針尖以恒定速度刺入并穿透新鮮豬肝軟組織,位移為100mm，然后再以相同的速度拔出組織回到原點(diǎn)。在進(jìn)行針穿刺組織假體實(shí)驗(yàn)時(shí)，刺入假體位移為20mm。穿刺過程中，ATI六軸力/力矩測量系統(tǒng)以5kHz的采樣率記錄下穿刺力。如表2所示為穿刺不同二甲基亞砜質(zhì)量分?jǐn)?shù)，聚乙烯醇質(zhì)量的假體時(shí)，穿刺力的峰值。

由表2可知，穿刺峰值力主要與聚乙烯醇質(zhì)量多少有關(guān)，其他因素的影響在誤差范圍內(nèi)可以忽略。將相同聚乙烯醇質(zhì)量假體的穿刺峰值力取平均，如表3所示，穿刺峰值力隨聚乙烯醇水凝膠中聚乙烯醇的質(zhì)量增加而增大。

表3 不同聚乙烯醇質(zhì)量穿刺力峰值

圖1 穿刺過程的力-位移曲線

2.3 假體的選擇

由透光率實(shí)驗(yàn)可知，二甲基亞砜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，透光率過低，所以二甲基亞砜質(zhì)量分?jǐn)?shù)宜在60%和70%中選擇。將不同聚乙烯醇含量假體的穿刺峰值力與新鮮豬肝組織穿刺力比較，可知聚乙烯醇含量為8g時(shí)，聚乙烯醇水凝膠的力學(xué)性能最接近新鮮豬肝組織。圖1（a）和圖1（b）分別是聚乙烯醇質(zhì)量為8g，二甲基亞砜質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60%和70%時(shí)穿刺過程的力-位移曲線。

穿刺過程中由于軟組織的粘性，會有一部分軟組織粘附并包裹在針尖上，類似刀具切削中的“積削瘤”。針穿刺力與位移之間的理想關(guān)系曲線是線性曲線[6]，由于軟組織“積削瘤”現(xiàn)象使得實(shí)際實(shí)驗(yàn)中針刺破組織外膜進(jìn)入組織后針穿刺力曲線呈現(xiàn)非線性增長，當(dāng)“積削瘤”現(xiàn)象消失的瞬間，會出現(xiàn)一個(gè)力跳變點(diǎn)。針穿刺過程可以看成是一個(gè)軟組織“積削瘤”產(chǎn)生然后消失，再產(chǎn)生的過程。圖（a）在刺破假體外膜時(shí)突降現(xiàn)象更明顯，穿刺中的“積削瘤”現(xiàn)象也與豬肝組織穿刺過程相近，組織性能最接近新鮮豬肝組織。

3 結(jié)論

本文制備了不同配比的聚乙烯醇水凝膠，測量出不同配比水凝膠的透光率，繪制了穿刺過程力學(xué)曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚乙烯醇水凝膠的透光率主要受二甲基亞砜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，隨著二甲基亞砜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，透光率增大。穿刺峰值力主要與聚乙烯醇質(zhì)量多少有關(guān)，穿刺峰值力隨聚乙烯醇水凝膠中聚乙烯醇的質(zhì)量增加而增大。二甲基亞砜質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%，聚乙烯醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的聚乙烯醇水凝膠力學(xué)性能最接近肝臟組織，透明度較高，適合作為針穿刺軟組織實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)假體。

［1］Abolhassani N,Patel RV,Moallem M.Needle Insertion into Soft-tissue:A survey[J].Med Eng Phys.,2006,29:413-431.

［2］柳明珠,程榕時(shí),錢人元.聚乙烯醇水凝膠溶脹特性研究[J].高分子學(xué)報(bào),1996,6(2):234-238.

［3］Dr C.Chui,E.Kobayashi,X.Chen,T.Hisada,I.Sakuma.Combined compression and elongation experiments and non-linear modelling of liver tissue for surgical simulation[J].Medical&Biological Engineering&Computing,2004(6).

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［5］Simone C,Okamura AM.Modeling of needle insertion forces for robot-assisted percutaneous therapy[C]//Proceedings of the IEEE international conference on robotics and automation(ICRA).2002:2085-2091.

［6］S.C.Cowin,S.B.Doty.Tissue Mechanics[J].Springer,New York,USA[S.N.],2007.