朱 侗 高德東 趙廣偉
（青海大學機械工程學院，青海 西寧 810016）
【摘 要】梯度改變二甲基亞碸和去離子水的配比得到了透明度較好的水凝膠，並通過改變聚乙烯醇的質量分數來改變水凝膠的材料性質。通過針穿刺實驗測得多組不同配比的水凝膠的力學曲線，並測量出每組水凝膠的透光率。找出了與肝臟組織材料性能最為接近的水凝膠假體的材料配比。實驗結果表明，二甲基亞碸質量分數60%，聚乙烯醇質量分數8%的聚乙烯醇水凝膠力學性能最接近肝臟組織，透明度較高，最適合做針穿刺軟組織實驗的組織假體。
關鍵詞 針穿刺；軟組織；聚乙烯醇水凝膠；穿刺力；透光率
※基金項目：國家自然科學基金資助項目（51165040）。
通訊作者：高德東。
水凝膠是目前國內外研究製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並保持大量水分子而不溶解，是一種膠態物質，具有很強的溶脹性、吸水性、脫水收縮性、觸變性、生物相容性和粘彈性。這些性質使得水凝膠可以作為生物軟組織假體，因此引起許多相關的科研工作者的重視並進行了廣泛的研究。
本文調研了當前醫用仿生材料的使用情況，選用了一種被廣泛應用於生物工程領域的材料——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，在生物醫學和實驗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]，本文詳細介紹了聚乙烯醇水凝膠的製備方法及製備過程，找出了與肝臟樣本比較接近的水凝膠製備參數。
1 聚乙烯醇水凝膠製備實驗
1.1 實驗原理
聚乙烯醇水凝膠主要由聚乙烯醇和去離子水製得，通過冷凍-解凍循環來得到。通過「凍結」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合起來，解凍後結合的分子鏈不再分開，使得水凝膠擁有較好的機械、彈性性能，與生物軟組織非常接近。利用水和二甲基亞碸（DMSO）混合液作為溶劑來溶解聚乙烯醇，可製備出高透明度水凝膠[3]。因為用含有二甲基亞碸的水溶液製備的水凝膠其結晶區尺寸可能與入射光波長接近，導致在聚乙烯醇晶區體積不變的情況下，入射光波長增大其透光率也相應提高[4]。
1.2 實驗材料
製備PVA水凝膠所需要的主要材料為聚乙烯醇和二甲基亞碸以及去離子水，本實驗中製備和保存假體的水均為去離子水。聚乙烯醇常溫下是固態顆粒，其揮發物小於等於百分之五，pH值在室溫下是5~7，粘度在室溫下為54.0mPa·s~66.0mPa·s。二甲基亞碸常溫下是液態，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，凝固點為18.0℃~20.0℃。
1.3 實驗儀器
製備聚乙烯醇水凝膠所需要的實驗儀器包括85-2型恆溫磁力攪拌器和電接點溫度計,JM-B型精密電子天平,FYL-YS-30L型的壓縮機車載冰箱，DR81型透光率儀以及型號為ML01.4A1的精密運動針穿刺平台，18G介入穿刺針等設備，還有燒杯、量筒、滴管等量具。
1.4 實驗步驟
（1）用天平稱取60g二甲基亞碸，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，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，溫度設為90攝氏度，攪拌2-3個小時，使其變成均勻的溶液，溶液呈無色透明狀，有較高的粘度。
（3）將製備好的溶液倒入模具並放於冰箱中，在室溫中冷卻2小時，並在零下20攝氏度中冷凍12小時，然後，取出放到室溫下，使其逐漸解凍。其中,冷凍-解凍為一次循環。
（4）按照以上相同的方法，分別製作幾組聚乙烯醇水凝膠，其中二甲基亞碸溶液質量分數分別為50%、60%、70%,聚乙烯醇的質量分別為6g,8g,10g,12g。
2 實驗結果與討論
2.1 聚乙烯醇水凝膠透光率測定
解凍後，使用DR81型透光率儀測定水凝膠透光率。去除實驗壞點後，透光率實驗結果如表1所示。
可知當聚乙烯醇含量在6%到12%之間時，聚乙烯醇水凝膠的透光率主要受二甲基亞碸質量分數的影響。隨著二甲基亞碸質量分數的提高，透光率增大。
2.2 聚乙烯醇水凝膠力學性能測定
本實驗採用型號為18G，長度為200mm的介入穿刺針，以5mm/s的速度對製成的聚乙烯醇水凝膠假體和新鮮豬肝組織進行針穿刺實驗。針尖以恆定速度刺入並穿透新鮮豬肝軟組織,位移為100mm，然後再以相同的速度拔出組織回到原點。在進行針穿刺組織假體實驗時，刺入假體位移為20mm。穿刺過程中，ATI六軸力/力矩測量系統以5kHz的採樣率記錄下穿刺力。如表2所示為穿刺不同二甲基亞碸質量分數，聚乙烯醇質量的假體時，穿刺力的峰值。
由表2可知，穿刺峰值力主要與聚乙烯醇質量多少有關，其他因素的影響在誤差範圍內可以忽略。將相同聚乙烯醇質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量增加而增大。
2.3 假體的選擇
由透光率實驗可知，二甲基亞碸質量分數為50%時，透光率過低，所以二甲基亞碸質量分數宜在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，聚乙烯醇水凝膠的力學性能最接近新鮮豬肝組織。圖1（a）和圖1（b）分別是聚乙烯醇質量為8g，二甲基亞碸質量分數分別為60%和70%時穿刺過程的力-位移曲線。
穿刺過程中由於軟組織的粘性，會有一部分軟組織粘附並包裹在針尖上，類似刀具切削中的「積削瘤」。針穿刺力與位移之間的理想關係曲線是線性曲線[6]，由於軟組織「積削瘤」現象使得實際實驗中針刺破組織外膜進入組織後針穿刺力曲線呈現非線性增長，當「積削瘤」現象消失的瞬間，會出現一個力跳變點。針穿刺過程可以看成是一個軟組織「積削瘤」產生然後消失，再產生的過程。圖（a）在刺破假體外膜時突降現象更明顯，穿刺中的「積削瘤」現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 結論
本文製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，繪製了穿刺過程力學曲線。實驗結果表明，聚乙烯醇水凝膠的透光率主要受二甲基亞碸質量分數的影響，隨著二甲基亞碸質量分數的提高，透光率增大。穿刺峰值力主要與聚乙烯醇質量多少有關，穿刺峰值力隨聚乙烯醇水凝膠中聚乙烯醇的質量增加而增大。二甲基亞碸質量分數60%，聚乙烯醇質量分數8%的聚乙烯醇水凝膠力學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驗的實驗假體。
參考文獻
［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,錢人元.聚乙烯醇水凝膠溶脹特性研究[J].高分子學報,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.
［責任編輯：湯靜］
（青海大學機械工程學院，青海 西寧 810016）
【摘 要】梯度改變二甲基亞碸和去離子水的配比得到了透明度較好的水凝膠，並通過改變聚乙烯醇的質量分數來改變水凝膠的材料性質。通過針穿刺實驗測得多組不同配比的水凝膠的力學曲線，並測量出每組水凝膠的透光率。找出了與肝臟組織材料性能最為接近的水凝膠假體的材料配比。實驗結果表明，二甲基亞碸質量分數60%，聚乙烯醇質量分數8%的聚乙烯醇水凝膠力學性能最接近肝臟組織，透明度較高，最適合做針穿刺軟組織實驗的組織假體。
關鍵詞 針穿刺；軟組織；聚乙烯醇水凝膠；穿刺力；透光率
※基金項目：國家自然科學基金資助項目（51165040）。
通訊作者：高德東。
水凝膠是目前國內外研究製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並保持大量水分子而不溶解，是一種膠態物質，具有很強的溶脹性、吸水性、脫水收縮性、觸變性、生物相容性和粘彈性。這些性質使得水凝膠可以作為生物軟組織假體，因此引起許多相關的科研工作者的重視並進行了廣泛的研究。
本文調研了當前醫用仿生材料的使用情況，選用了一種被廣泛應用於生物工程領域的材料——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，在生物醫學和實驗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]，本文詳細介紹了聚乙烯醇水凝膠的製備方法及製備過程，找出了與肝臟樣本比較接近的水凝膠製備參數。
1 聚乙烯醇水凝膠製備實驗
1.1 實驗原理
聚乙烯醇水凝膠主要由聚乙烯醇和去離子水製得，通過冷凍-解凍循環來得到。通過「凍結」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合起來，解凍後結合的分子鏈不再分開，使得水凝膠擁有較好的機械、彈性性能，與生物軟組織非常接近。利用水和二甲基亞碸（DMSO）混合液作為溶劑來溶解聚乙烯醇，可製備出高透明度水凝膠[3]。因為用含有二甲基亞碸的水溶液製備的水凝膠其結晶區尺寸可能與入射光波長接近，導致在聚乙烯醇晶區體積不變的情況下，入射光波長增大其透光率也相應提高[4]。
1.2 實驗材料
製備PVA水凝膠所需要的主要材料為聚乙烯醇和二甲基亞碸以及去離子水，本實驗中製備和保存假體的水均為去離子水。聚乙烯醇常溫下是固態顆粒，其揮發物小於等於百分之五，pH值在室溫下是5~7，粘度在室溫下為54.0mPa·s~66.0mPa·s。二甲基亞碸常溫下是液態，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，凝固點為18.0℃~20.0℃。
1.3 實驗儀器
製備聚乙烯醇水凝膠所需要的實驗儀器包括85-2型恆溫磁力攪拌器和電接點溫度計,JM-B型精密電子天平,FYL-YS-30L型的壓縮機車載冰箱，DR81型透光率儀以及型號為ML01.4A1的精密運動針穿刺平台，18G介入穿刺針等設備，還有燒杯、量筒、滴管等量具。
1.4 實驗步驟
（1）用天平稱取60g二甲基亞碸，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，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，溫度設為90攝氏度，攪拌2-3個小時，使其變成均勻的溶液，溶液呈無色透明狀，有較高的粘度。
（3）將製備好的溶液倒入模具並放於冰箱中，在室溫中冷卻2小時，並在零下20攝氏度中冷凍12小時，然後，取出放到室溫下，使其逐漸解凍。其中,冷凍-解凍為一次循環。
（4）按照以上相同的方法，分別製作幾組聚乙烯醇水凝膠，其中二甲基亞碸溶液質量分數分別為50%、60%、70%,聚乙烯醇的質量分別為6g,8g,10g,12g。
2 實驗結果與討論
2.1 聚乙烯醇水凝膠透光率測定
解凍後，使用DR81型透光率儀測定水凝膠透光率。去除實驗壞點後，透光率實驗結果如表1所示。
可知當聚乙烯醇含量在6%到12%之間時，聚乙烯醇水凝膠的透光率主要受二甲基亞碸質量分數的影響。隨著二甲基亞碸質量分數的提高，透光率增大。
2.2 聚乙烯醇水凝膠力學性能測定
本實驗採用型號為18G，長度為200mm的介入穿刺針，以5mm/s的速度對製成的聚乙烯醇水凝膠假體和新鮮豬肝組織進行針穿刺實驗。針尖以恆定速度刺入並穿透新鮮豬肝軟組織,位移為100mm，然後再以相同的速度拔出組織回到原點。在進行針穿刺組織假體實驗時，刺入假體位移為20mm。穿刺過程中，ATI六軸力/力矩測量系統以5kHz的採樣率記錄下穿刺力。如表2所示為穿刺不同二甲基亞碸質量分數，聚乙烯醇質量的假體時，穿刺力的峰值。
由表2可知，穿刺峰值力主要與聚乙烯醇質量多少有關，其他因素的影響在誤差範圍內可以忽略。將相同聚乙烯醇質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量增加而增大。
2.3 假體的選擇
由透光率實驗可知，二甲基亞碸質量分數為50%時，透光率過低，所以二甲基亞碸質量分數宜在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，聚乙烯醇水凝膠的力學性能最接近新鮮豬肝組織。圖1（a）和圖1（b）分別是聚乙烯醇質量為8g，二甲基亞碸質量分數分別為60%和70%時穿刺過程的力-位移曲線。
穿刺過程中由於軟組織的粘性，會有一部分軟組織粘附並包裹在針尖上，類似刀具切削中的「積削瘤」。針穿刺力與位移之間的理想關係曲線是線性曲線[6]，由於軟組織「積削瘤」現象使得實際實驗中針刺破組織外膜進入組織後針穿刺力曲線呈現非線性增長，當「積削瘤」現象消失的瞬間，會出現一個力跳變點。針穿刺過程可以看成是一個軟組織「積削瘤」產生然後消失，再產生的過程。圖（a）在刺破假體外膜時突降現象更明顯，穿刺中的「積削瘤」現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 結論
本文製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，繪製了穿刺過程力學曲線。實驗結果表明，聚乙烯醇水凝膠的透光率主要受二甲基亞碸質量分數的影響，隨著二甲基亞碸質量分數的提高，透光率增大。穿刺峰值力主要與聚乙烯醇質量多少有關，穿刺峰值力隨聚乙烯醇水凝膠中聚乙烯醇的質量增加而增大。二甲基亞碸質量分數60%，聚乙烯醇質量分數8%的聚乙烯醇水凝膠力學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驗的實驗假體。
參考文獻
［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,錢人元.聚乙烯醇水凝膠溶脹特性研究[J].高分子學報,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.
［責任編輯：湯靜］
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