CN105770989B - 一种用于个性化制备人工***代用品的生物材料及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于个性化制备人工***代用品的生物材料,包括喷涂材料A和喷涂材料B;所述喷涂材料A由1‑3%的海藻酸盐溶液、0.5‑1.5%的甲壳胺溶液和1‑3%的胶原蛋白溶液中的任意一种或多种混合而成;所述喷涂材料B为1‑3%的乳酸钙溶液或1‑3%的氯化钙溶液。本发明还公开了利用所述的生物材料个性化制备人工***代用品的方法。本发明采用计算机三维扫描技术,采集患者个人信息,以廉价的海藻酸盐和甲壳胺、羧甲基纤维素为主要材料,通过3D打印技术为患者量体定制***代用品,技术先进,成本低廉,安全可靠,适合患者的个体和个性化需要。
Description
技术领域
本发明属于医学技术领域,涉及一种用于个性化制备人工***代用品的生物材料及其方法,具体涉及一种应用计算机三维扫描技术采集个人信息,应用复合生物材料、3D打印技术和冷冻干燥技术个性化制备外用型人工***代用品的方法。
背景技术
乳癌是中国女性最常见的癌症。从90年代以来,中国的乳癌发病率增长速度是全球的两倍多,在全世界排第一位,城市地区尤为显著。如果这一趋势保持不变,到2021年,中国乳癌患者将高达250万,发病率将从不到60例/10万女性增加到超过100例/10万女性。
***缺失是乳腺肿瘤患者术后面临的普遍问题,严重影响女性形体美和心理健康,对患者康复和生活质量带来严重的不良影响。
***重建是乳癌患者术后通过整形外科手术恢复***形态的基本方法。除一期重建外,多数患者要在放化疗结束后进行二期重建,这个过程通常需要等待数月甚至更长的时间。在这期间为患者提供***代用品,尽快恢复患者身体形态对患者身心康复具有非常现实的意义。
目前市场上有多种***代用产品(义乳)销售,尽管尺寸及形式多种多样,但是都不是为患者量体定制的产品,缺少个性化。且价格昂贵,一般要数千元一个。
计算机三维扫描技术(三维数字化)应用于医学领域,能够精确获取人体表面的三维结构,并在形成的三维模型中测量体表标志的三维坐标,进而得到人体形态的空间数据。同时,三维扫描技术还可获取体表皮肤的颜色,在模型中还原真实的人体表面特征。采用这一技术,可以准确的采集乳癌患者术前及术后***的三维形态信息,为患者量体定做个性化的仿真的人工***代用品。
3D打印技术是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的快速成型技术。目前3D打印技术所用的材料主要有硅胶、树脂、石膏、金属粉末等。有些3D打印材料不适用于制作***代用品,如金属、树脂等;而有些则技术难度大,成本高,时间长。
有些资料报道采用水凝胶等材料打印人体器官或结构部分,缺点是:含水量多,重量大,强度低,易腐败,不适用于制备可穿戴的人工***代用品。
因此,开发一种个性化的人工***代用品设计制备技术,开发新的3D打印用复合生物凝胶材料,并将其用于个性化人工***代用品的构建,对于术后乳癌患者身心的康复具有十分重要的意义。
发明内容
针对上述现有技术,本发明的第一个目的是提供一种用于个性化制备人工***代用品的生物材料。
本发明的第二个目的是提供一种个性化制备人工***代用品的方法,通过计算机三维扫描为乳腺癌患者提供最真实的个性化***形态信息,并按照患者的要求进行计算机辅助人工***代用品设计;采用3D打印技术进行打印;采用冷冻干燥技术去除材料中的水分,使制备的假体轻便、定型、防腐;将上述三种技术联用,整合为一种先进工艺,用于构建人工***代用品。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种用于个性化制备人工***代用品的生物材料,包括喷涂材料A和喷涂材料B;
所述喷涂材料A由1-3%(质量浓度)的海藻酸盐溶液、0.5-1.5%(质量浓度)的甲壳胺溶液和1-3%(质量浓度)的羧甲基纤维素溶液中的任意一种或多种混合而成;
所述喷涂材料B为1-3%(质量浓度)的乳酸钙溶液或1-3%(质量浓度)的氯化钙溶液。
进一步的,所述喷涂材料A中还含有0.5-1.5g/100ml壳聚糖、1-3g/100ml甘油、0.2-0.4g/100ml碳酸钙和0.03-0.08g/100ml尼泊金乙酯。
优选的,所述喷涂材料A由2%的海藻酸盐溶液和1%的甲壳胺溶液等体积混合而成。
优选的,所述喷涂材料A由2.4g/100ml海藻酸盐、1.0g/100ml壳聚糖、2g/100ml甘油、0.3g/100ml碳酸钙和0.05g/100ml尼泊金乙酯组成。
优选的,所述喷涂材料A由2.5%的海藻酸盐溶液和2%的羧甲基纤维素溶液等体积混合而成。
优选的,所述海藻酸盐中高G型海藻酸和高M型海藻酸的比例为(2-2.5):1;海藻酸是由甘露糖醛酸(M)和古洛糖醛酸(G)组成的混聚多糖,高G型海藻酸生成的凝胶硬度大但易碎;高M型海藻酸生成的凝胶柔韧性好但硬度小,调整两种比例可生产不同强度的凝胶。本发明对海藻酸盐中高G型海藻酸和高M型海藻酸的比例进行了优化调整,结果发现:高G型海藻酸和高M型海藻酸的比例为(2-2.5):1时,海藻酸盐凝胶材料能实现韧性和硬度的综合平衡,特别适用于制备人工***代用品。
进一步优选的,所述海藻酸盐为海藻酸钠。
上述材料在构建人体其他缺失部位(如耳、鼻等)的个性化假体中的应用也是本发明保护的范围。
本发明还提供一种利用上述生物材料个性化制备人工***代用品的方法,步骤如下:
(1)利用计算机三维扫描技术采集乳腺癌患者术前和术后***的三维形态信息,经数据处理,构建人工***代用品宏观外形的三维计算机模型;
(2)将数据信息输入至3D打印机中进行打印,以喷涂材料A和喷涂材料B交替喷涂成型,静置6-12小时,冷冻干燥固型,成型修饰后制成个性化人工***代用品。
上述方法制备的人工***为外用型人工***代用品。
本发明的有益效果:
(1)本发明采用计算机三维扫描技术,采集患者个人信息,以廉价的海藻酸盐和甲壳胺或羧甲基纤维素为主要材料,通过3D打印技术为患者量体定制***代用品,技术先进,成本低廉(本发明制备一个个性化人工***代用品成本只有一、二百元,与现有技术中的义乳产品相比,显著降低了成本),安全可靠,适合患者的个体和个性化需要。
(2)海藻酸盐是一种天然多糖类物质,性质稳定,对人体无毒无害,在医药领域用作药物辅料、口腔科牙模材料等;在食品领域用作增稠剂、赋形剂、乳化稳定剂等。在溶液中,海藻酸盐遇到钙离子可迅速发生离子交换,生成凝胶,其凝胶具有热不可逆性。
甲壳胺是由氨基葡葡糖和乙酰氨基葡葡糖聚合物组成的多糖。甲壳胺性质稳定,对人体无毒无害,具有抑菌消炎,促进伤口愈合等功能,在医药领域用于药物辅料、手术缝合线、人工皮肤、组织工程支架材料等许多方面。
羧甲基纤维素是羧甲基取代基的纤维素衍生物,40%以上羟基为羧甲基置换者可溶于水形成稳定的高黏度胶体溶液。羧甲基纤维素广泛用于医药、食品、纺织、印染、造纸、陶瓷等行业。
本发明利用海藻酸盐与甲壳胺或羧甲基纤维素形成凝胶的特性,通过3D打印技术制备得到个性化的人工***代用品,通过冷冻干燥技术可以得到保持原形态的、多孔的轻便的、强度高弹性好的人工***代用品。对于术后乳癌患者身心的康复具有十分重要的意义。
具体实施方式
结合实施例对本发明作进一步的说明,应该说明的是,下述说明仅是为了解释本发明,并不对其内容进行限定。
实施例1:
用计算机三维扫描技术采集乳腺癌患者术前和术后***的立体信息,经过数据处理,在计算机上完成形态设计,与患者沟通交流,在患者感到满意的前提下将数据信息输入3D打印机。
将2%海藻酸钠溶液(海藻酸钠中高G型海藻酸和高M型海藻酸的比例为2:1)与1%甲壳胺溶液等量混合,作为喷涂材料A;与喷涂材料B(2%乳酸钙溶液)交替喷涂成型,静置8小时,冷冻干燥固形后修饰完成个性化***代用品制作。
上述制备方法中,计算机三维扫描技术是将光、机、电和计算机技术集于一体的技术,通过对物体外形结构的全方位扫描,获得物体形态和表面精确的空间信息,将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号。这些测量信息能直接与多种软件对接,在计算机辅助设计软件中(如mimics,geomagic studio,CAD等)可以对数据进行调整、修补和设计,再通过快速成型设备(如3D打印技术)或其它方式进行制造。
实施例2:
用计算机三维扫描技术采集乳腺癌患者术前和术后***的立体信息,经过数据处理,在计算机上完成形态设计,与患者沟通交流,在患者感到满意的前提下将数据信息输入3D打印机,
海藻酸钠(海藻酸钠中高G型海藻酸和高M型海藻酸的比例为2.5:1)12.0g,壳聚糖5.0g,甘油10.0g,碳酸钙1.5g,尼泊金乙酯0.25g,蒸馏水加至500ml,混融后作为喷涂材料A。在3D打印机上与喷涂材料B(2%氯化钙溶液)交替喷涂形成固态凝胶,静置12小时,冷冻干燥固形后修饰完成个性化人工***代用品制作。
实施例3:
用计算机三维扫描技术采集乳腺癌患者术前和术后***的立体信息,经过数据处理,在计算机上完成形态设计,与患者沟通交流,在患者感到满意的前提下将数据信息输入3D打印机,
将2.5%海藻酸钠溶液(海藻酸钠中高G型海藻酸和高M型海藻酸的比例为2:1)与2%羧甲基纤维素溶液等量混合,作为喷涂材料A;与喷涂材料B(2%氯化钙溶液)交替喷涂成型,静置6小时,冷冻干燥固形后修饰完成个性化***代用品制作。
实施例4:
用计算机三维扫描技术采集乳腺癌患者术前和术后***的立体信息,经过数据处理,在计算机上完成形态设计,与患者沟通交流,在患者感到满意的前提下,将数据信息输入3D打印机,采用树脂打印2mm厚度的外模,将浓度为2%的海藻酸钠溶液与1%甲壳胺溶液等量混合液注入此外模,然后浸泡于2%氯化钙溶液,静置10小时,待混合物凝胶固化后形成***假体。将假体脱模取出,经过冷冻干燥固化、成型修饰后完成假体制作。
对比例1:
将喷涂材料A的组成调整为:0.5%海藻酸钠溶液(海藻酸钠中高G型海藻酸和高M型海藻酸的比例为2:1)与2%甲壳胺溶液等量混合。其余材料和制备方法同实施例1,制备得到个性化***代用品。
对比例2:
将喷涂材料A的组成调整为:4%海藻酸钠溶液(海藻酸钠中高G型海藻酸和高M型海藻酸的比例为2:1)与0.5%甲壳胺溶液等量混合。其余材料和制备方法同实施例1,制备得到个性化***代用品。
对比例3:
将喷涂材料A海藻酸钠中高G型海藻酸和高M型海藻酸的比例调整为1:1。其余材料和制备方法同实施例1,制备得到个性化***代用品。
对比例4:
将喷涂材料A海藻酸钠中高G型海藻酸和高M型海藻酸的比例调整为3:1。其余材料和制备方法同实施例1,制备得到个性化***代用品。
试验例:
对本发明实施例1和对比例1-4中制备的个性化***代用品进行抗冲击试验和静态抗破裂试验。
1.抗冲击试验:以固定重量和计算高度,在标准导轨引导下的跌落块(非自由落体)对***代用品进行冲击的试验。要求被冲击的假体应完好。
2.静态抗破裂试验:依据ISO14607-2007进行测定,考察***代用品在使用状态的抗破裂性能。将***代用品放置于水平固定板中央,以5mm/分钟或更慢的速度向***代用品施压直至破裂,在此过程中连续记录压力和位移的数据。
结果表明:本发明实施例1制备的***代用品的抗冲击性能和静态抗破裂性能明显优于对比文件1-4制备的***代用品。
Claims (10)
1.一种用于个性化制备人工***代用品的生物材料,其特征在于,包括喷涂材料A和喷涂材料B;
所述喷涂材料A由1-3%的海藻酸盐溶液、0.5-1.5%的甲壳胺溶液和1-3%的羧甲基纤维素溶液中的任意一种或多种混合而成;
所述喷涂材料B为1-3%的乳酸钙溶液或1-3%的氯化钙溶液。
2.如权利要求1所述的生物材料,其特征在于,所述喷涂材料A中还含有0.5-1.5g/100ml壳聚糖、1-3g/100ml甘油、0.2-0.4g/100ml碳酸钙和0.03-0.08g/100ml尼泊金乙酯。
3.如权利要求1所述的生物材料,其特征在于,所述喷涂材料A由2%的海藻酸盐溶液和1%的甲壳胺溶液等体积混合而成。
4.如权利要求2所述的生物材料,其特征在于,所述喷涂材料A由2.4g/100ml海藻酸盐、1.0g/100ml壳聚糖、2g/100ml甘油、0.3g/100ml碳酸钙和0.05g/100ml尼泊金乙酯组成。
5.如权利要求1所述的生物材料,其特征在于,所述喷涂材料A由2.5%的海藻酸盐溶液和2%的羧甲基纤维素溶液等体积混合而成。
6.如权利要求1-5任一项所述的生物材料,其特征在于,所述海藻酸盐中高G型海藻酸和高M型海藻酸的比例为(2-2.5):1。
7.如权利要求6所述的生物材料,其特征在于,所述海藻酸盐为海藻酸钠。
8.权利要求1-7任一项所述的生物材料在构建人体缺失部位的个性化假体中的应用。
9.一种利用权利要求1-7任一项所述的生物材料个性化制备人工***代用品的方法,其特征在于,步骤如下:
(1)利用计算机三维扫描技术采集乳腺癌患者术前和术后***的三维形态信息,经数据处理,构建人工***代用品宏观外形的三维计算机模型;
(2)将数据信息输入至3D打印机中进行打印,以喷涂材料A和喷涂材料B交替喷涂成型,静置6-12小时,冷冻干燥固型,成型修饰后制成个性化人工***代用品。
10.如权利要求9所述的制备方法,其特征在于,所制备的个性化人工***代用品为外用型人工***代用品。
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