针穿刺软组织实验假体的制备与选择

朱　侗　高德东　赵广伟

（青海大学机械工程学院，青海 西宁 810016）

【摘　要】梯度改变二甲基亚砜和去离子水的配比得到了透明度较好的水凝胶，并通过改变聚乙烯醇的质量分数来改变水凝胶的材料性质。通过针穿刺实验测得多组不同配比的水凝胶的力学曲线，并测量出每组水凝胶的透光率。找出了与肝脏组织材料性能最为接近的水凝胶假体的材料配比。实验结果表明，二甲基亚砜质量分数60%，聚乙烯醇质量分数8%的聚乙烯醇水凝胶力学性能最接近肝脏组织，透明度较高，最适合做针穿刺软组织实验的组织假体。

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关键词 针穿刺；软组织；聚乙烯醇水凝胶；穿刺力；透光率

※基金项目：国家自然科学基金资助项目（51165040）。

通讯作者：高德东。

水凝胶是目前国内外研究制备生物软组织假体最常用的高分子材料。水凝胶能够在水中溶胀并保持大量水分子而不溶解，是一种胶态物质，具有很强的溶胀性、吸水性、脱水收缩性、触变性、生物相容性和粘弹性。这些性质使得水凝胶可以作为生物软组织假体，因此引起许多相关的科研工作者的重视并进行了广泛的研究。

本文调研了当前医用仿生材料的使用情况，选用了一种被广泛应用于生物工程领域的材料——聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）水凝胶。聚乙烯醇水凝胶是一种透明度良好，组织性能与生物软组织相似的高分子材料，在生物医学和实验方面的用途非常广泛，可以作为人造皮肤，人造肌肉等人工代用品[2]，本文详细介绍了聚乙烯醇水凝胶的制备方法及制备过程，找出了与肝脏样本比较接近的水凝胶制备参数。

1　聚乙烯醇水凝胶制备实验

1.1　实验原理

聚乙烯醇水凝胶主要由聚乙烯醇和去离子水制得，通过冷冻-解冻循环来得到。通过“冻结”的方法使得原来相对流动性较大的分子链有氢键和范德华力结合起来，解冻后结合的分子链不再分开，使得水凝胶拥有较好的机械、弹性性能，与生物软组织非常接近。利用水和二甲基亚砜（DMSO）混合液作为溶剂来溶解聚乙烯醇，可制备出高透明度水凝胶[3]。因为用含有二甲基亚砜的水溶液制备的水凝胶其结晶区尺寸可能与入射光波长接近，导致在聚乙烯醇晶区体积不变的情况下，入射光波长增大其透光率也相应提高[4]。

1.2　实验材料

制备PVA水凝胶所需要的主要材料为聚乙烯醇和二甲基亚砜以及去离子水，本实验中制备和保存假体的水均为去离子水。聚乙烯醇常温下是固态颗粒，其挥发物小于等于百分之五，pH值在室温下是5~7，粘度在室温下为54.0mPa·s~66.0mPa·s。二甲基亚砜常温下是液态，其分子式为(CH3)2SOC2H6OS，分子量是78.14，室温下的密度是1.098g/mL~1.105g/mL，凝固点为18.0℃~20.0℃。

1.3　实验仪器

制备聚乙烯醇水凝胶所需要的实验仪器包括85-2型恒温磁力搅拌器和电接点温度计,JM-B型精密电子天平,FYL-YS-30L型的压缩机车载冰箱，DR81型透光率仪以及型号为ML01.4A1的精密运动针穿刺平台，18G介入穿刺针等设备，还有烧杯、量筒、滴管等量具。

1.4　实验步骤

（1）用天平称取60g二甲基亚砜，用量筒称取40ml去离子水，将二者混合倒入烧杯中，作为溶剂，再用天平称取聚乙烯醇6g作为溶质，将其倒入溶剂中搅拌均匀。

（2）将混合好的溶液放在搅拌器的水浴锅中，温度设为90摄氏度，搅拌2-3个小时，使其变成均匀的溶液，溶液呈无色透明状，有较高的粘度。

（3）将制备好的溶液倒入模具并放于冰箱中，在室温中冷却2小时，并在零下20摄氏度中冷冻12小时，然后，取出放到室温下，使其逐渐解冻。其中,冷冻-解冻为一次循环。

（4）按照以上相同的方法，分别制作几组聚乙烯醇水凝胶，其中二甲基亚砜溶液质量分数分别为50%、60%、70%,聚乙烯醇的质量分别为6g,8g,10g,12g。

2　实验结果与讨论

2.1　聚乙烯醇水凝胶透光率测定

解冻后，使用DR81型透光率仪测定水凝胶透光率。去除实验坏点后，透光率实验结果如表1所示。

可知当聚乙烯醇含量在6%到12%之间时，聚乙烯醇水凝胶的透光率主要受二甲基亚砜质量分数的影响。随着二甲基亚砜质量分数的提高，透光率增大。

2.2　聚乙烯醇水凝胶力学性能测定

本实验采用型号为18G，长度为200mm的介入穿刺针，以5mm/s的速度对制成的聚乙烯醇水凝胶假体和新鲜猪肝组织进行针穿刺实验。针尖以恒定速度刺入并穿透新鲜猪肝软组织,位移为100mm，然后再以相同的速度拔出组织回到原点。在进行针穿刺组织假体实验时，刺入假体位移为20mm。穿刺过程中，ATI六轴力/力矩测量系统以5kHz的采样率记录下穿刺力。如表2所示为穿刺不同二甲基亚砜质量分数，聚乙烯醇质量的假体时，穿刺力的峰值。

由表2可知，穿刺峰值力主要与聚乙烯醇质量多少有关，其他因素的影响在误差范围内可以忽略。将相同聚乙烯醇质量假体的穿刺峰值力取平均，如表3所示，穿刺峰值力随聚乙烯醇水凝胶中聚乙烯醇的质量增加而增大。

2.3　假体的选择

由透光率实验可知，二甲基亚砜质量分数为50%时，透光率过低，所以二甲基亚砜质量分数宜在60%和70%中选择。将不同聚乙烯醇含量假体的穿刺峰值力与新鲜猪肝组织穿刺力比较，可知聚乙烯醇含量为8g时，聚乙烯醇水凝胶的力学性能最接近新鲜猪肝组织。图1（a）和图1（b）分别是聚乙烯醇质量为8g，二甲基亚砜质量分数分别为60%和70%时穿刺过程的力-位移曲线。

穿刺过程中由于软组织的粘性，会有一部分软组织粘附并包裹在针尖上，类似刀具切削中的“积削瘤”。针穿刺力与位移之间的理想关系曲线是线性曲线[6]，由于软组织“积削瘤”现象使得实际实验中针刺破组织外膜进入组织后针穿刺力曲线呈现非线性增长，当“积削瘤”现象消失的瞬间，会出现一个力跳变点。针穿刺过程可以看成是一个软组织“积削瘤”产生然后消失，再产生的过程。图（a）在刺破假体外膜时突降现象更明显，穿刺中的“积削瘤”现象也与猪肝组织穿刺过程相近，组织性能最接近新鲜猪肝组织。

3　结论

本文制备了不同配比的聚乙烯醇水凝胶，测量出不同配比水凝胶的透光率，绘制了穿刺过程力学曲线。实验结果表明，聚乙烯醇水凝胶的透光率主要受二甲基亚砜质量分数的影响，随着二甲基亚砜质量分数的提高，透光率增大。穿刺峰值力主要与聚乙烯醇质量多少有关，穿刺峰值力随聚乙烯醇水凝胶中聚乙烯醇的质量增加而增大。二甲基亚砜质量分数60%，聚乙烯醇质量分数8%的聚乙烯醇水凝胶力学性能最接近肝脏组织，透明度较高，适合作为针穿刺软组织实验的实验假体。

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参考文献

［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,程榕时,钱人元.聚乙烯醇水凝胶溶胀特性研究[J].高分子学报,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).

［４］Hyon S., Ikada Y. Preparation of transparent poly(vinyl alcohol) hydrogel[J]. Polymer Bulletin, 1989,33(22):119-122.

［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.

［责任编辑：汤静］