一种用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体及制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体，包括P(NIPA-CO-AA)凝胶体，以及位于P(NIPA-CO-AA)凝胶体内的里脊肉；且里脊肉表面包覆有蜡层。本发明的用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体中，P(NIPA-CO-AA)凝胶体的声学特性应、热学特性与人体软组织的声学特性相近，是能形成与人体有着高度相似的仿生体型，同时其水凝胶的密度与声速都与人体有着极度的相似性；并结合与肌瘤组织有着十分接近声学性能的里脊肉作为肌瘤模拟体，能有效观察到肌瘤体的能量变化的同时能观察到水凝胶的能量变化，从而实现仿生评估；而且凝胶体本身为透明，可以实时观察到超声聚焦焦点大小形态以及位置的载体，同时这种载体要求能多次、重复使用，可视化程度高。
【专利说明】一种用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物仿生【技术领域】，具体涉及一种用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体及制备方法。
【背景技术】
[0002]高强度超声聚焦是一种无创性、适形的热“切除”治疗肿瘤的新技术，其机制主要是通过超声波聚焦后产生高热，对准患处靶区进行肿瘤细胞杀灭。但是这一高热同时也伴随着对正常组织的烫伤等安全风险，因此临床应用进行治疗时，为了保证治疗的有效性和安全性，必须对HIFU (High Intensity Focused Ultrasound,高强度聚焦超声)治疗头的聚焦性能进行评价。然而，由于治疗中是作用于活体的组织，因此迄今为止很难用非标准化的生物组织对HIFU治疗头的聚焦性能进行评价，以及对不同治疗头的聚焦性能进行比较。
[0003]现有大多进行超声聚焦治疗的治疗中聚焦焦斑的大小研究更多的是基于离体组织上进行，但是离体的组织毕竟失去了活体的温敏、活性等条件，评估的结果上并不准确；而且在评估的过程中需要对超声聚焦的焦点进行实时的监控与观察，便于制定超声聚焦治疗的治疗方案与计量，传统意义上对由于离体组织不具备可视化以及不能多次重复利用的功能，因此在大量数据数据输出的平台上，不能高效进行数据统计与观察。
【发明内容】
[0004]本发明实施例的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种各项热学性、声学性等生物性能能替代活体组织用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体及制备方法。
[0005]为了实现上述发明目的，本发明实施例的技术方案如下:
[0006]一种用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体，包括P(NIPA-CO-AA)凝胶体，以及位于所述P(NIPA-CO-AA)凝胶体内的里脊肉；所述里脊肉表面包覆有蜡层。
[0007]本发明的用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体中，P(NIPA-CO-AA)凝胶体的声学特性应、热学特性与人体软组织的声学特性相近，是能形成与人体有着高度相似的仿生体型，同时其水凝胶的密度与声速都与人体有着极度的相似性；并结合与肌瘤组织有着十分接近声学性能的里脊肉作为肌瘤模拟体，能有效观察到肌瘤体的能量变化的同时能观察到水凝胶的能量变化，从而实现仿生评估；而且凝胶体本身为透明，可以实时观察到超声聚焦焦点大小形态以及位置的载体，同时这种载体要求能多次、重复使用，可视化程度高。
[0008]本发明进一步还提出一种上述用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体的制备方法，包括如下步骤:
[0009]按NIPA与待制备的仿生水凝胶组合体的重量体积比为30?40g:400cm3获取NIPA单体并制成NIPA溶液；
[0010]按Bis = NIPA为1:10?20的比例向所述NIPA溶液加入Bis，以及按照AAm:NIPA为1:3?4的比例向所述NIPA溶液加入AAm，搅拌均匀溶解形成单体混合液；
[0011]按APS =NIPA为0.02?0.027:1的比例取APS制成APS溶液，以及按偏重亚硫酸钠:NIPA为0.015?0.02:1取偏重亚硫酸钠制成偏重亚硫酸钠溶液；按照NIPA =TEMED为200?267g:lml的比例取TEMED制成TEMED溶液；
[0012]将所述TEMED溶液、APS溶液和偏重亚硫酸钠溶液加入单体混合液中，搅拌均匀形成凝胶原液；
[0013]将按所需肌瘤模拟体切削的里脊肉表面进行蜡层包覆处理，然后置于盐水中浸泡；
[0014]将浸泡后的里脊肉置入凝胶原液中，并进行固定，然后静置30s以上，使凝胶原液凝固即得用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体。
[0015]采用本发明的上述制备方法，制备获得的仿生水凝胶组合体其声学和热学的生理参数上与活体相仿，并且在制备步骤中通过多种因素的控制，进一步保证其更加接近生理条件，综合密度为1.058g/cm3与人体肝脏组织的平均密度1.050g/cm3接近，可以直接用作模拟人体软组织，从而实现可视化的热消融疗效评估。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
[0017]图1为本发明实施例用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体的结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0019]本发明实施例提供一种用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体，参见图1，包括一 P (NIPA-CO-AA)凝胶体10，以及设置于该P (NIPA-C0-AA)凝胶体10内的里脊肉20，该里脊肉20的外表面包覆有蜡层。
[0020]为了保证P (NIPA-CO-AA)凝胶体10的结构和形状利于成型和稳定，P(NIPA-CO-AA)凝胶体10形状优选为长方体、正方体等规则几何形体，虽然也可以制成不规则的形状，但是规则的几何体更加利于加工和仿生评估中的可视性观察，整体的声学、热学性能较不规则的形体要好。
[0021]在本发明中P(NIPA-CO-AA)凝胶体10其有利特点是模拟人体软组织，其水凝胶组合体的综合密度1.058g/cm3与人体肝脏组织的平均密度1.050g/cm3接近，在超声聚焦中焦域中心温度上升幅度可达(70°C ±5°C)，靶区中央最高温度达130°C，而本发明中P(NIPA-CO-AA)凝胶体熔点达到150°C，满足HIFU焦点处高热的要求；因此整体性能稳定，而且其声衰减系数在1.2MHz时为0.615dB/cm，较肝组织的衰减系数(0.75dB/cm, 1.2MHz)稍低，与脑组织的衰减系数(0.61dB/cm, 1.2MHz)非常接近；更重要的在于P (NIPA-CO-AA)凝胶体的声学特性应、热学特性与人体软组织的声学特性相近，是能形成与人体有着高度相似的仿生体型，同时其水凝胶的密度与声速都与人体有着极度的相似性，其PNIPA水凝胶的较低临界溶解温度为50°C。用异丙基丙烯酰胺单体和丙烯酰胺单体制作的共聚水凝胶，比PNIPA水凝胶有更高的LCST (低临界溶解温度)，更接近于生物软组织热变性温度。
[0022]因此，在上述凝胶体基础上，可以实现对模拟组织的热消融治疗仿真，同时结合与肌瘤组织有着十分接近声学性能的里脊肉作为肌瘤模拟体，以智能型仿生体模作为子宫体、牛晶状体等组织，使得在剂量考量中能有效观察到肌瘤体的能量变化的同时能观察到水凝胶的能量变化，从而实现仿生评估；而且凝胶体本身为透明，可以实时观察到超声聚焦焦点大小形态以及位置的载体，同时这种载体要求能多次、重复使用，可视化程度高。
[0023]本发明进一步还提出一种用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体的制备方法，包括如下步骤:
[0024]获取原料，包括:NIPA(N-异丙基丙烯酰胺)、Bis(甲叉双丙烯酰胺)、AAm(丙烯酰胺)、APS (过硫酸铵)、TEMED (N，N，N’，N’ -四甲基乙二胺)、偏重亚硫酸钠、优质里脊肉、生理盐水、蜡、以及脱气去离子水定容400ml ；
[0025]SlOdf [PA单体溶于脱气去离子水，搅拌均匀形成NIPA溶液；
[0026]S20，按照Bis: NIPA为1:10?20的比例向NIPA溶液加入Bis，以及按照AAm =NIPA为1:3?4的比例向NIPA溶液加入AAm，搅拌均匀溶解形成单体混合液；
[0027]S30，按照量比APS =NIPA为0.02?0.027:1取APS溶解成APS溶液，以及按偏重亚硫酸钠:NIPA为0.015?0.02:1取偏重亚硫酸钠用脱气去离子水溶解成偏重亚硫酸钠溶液；
[0028]S40,按照NIPA =TEMED为200?267g: Iml的比例取TEMED溶解于脱气去离子水，形成TEMED溶液；
[0029]S50，将里脊肉作为嵌入体，根据所需肌瘤模拟体的尺寸和形状进行切割处理；
[0030]S60，将生理盐水与脱气去离子水按照1:2的比例配制浸泡液，并低温保存，保存温度可以控制约10°c。
[0031]S70，将蜡熔融成蜡液后，将里脊肉置于蜡液中进行浸滞处理，处理时间约0.5s后，取出使里脊肉表面的蜡液凝固；再将封蜡的里脊肉置于浸泡液中浸泡。
[0032]S80，将TEMED溶液加入到单体混合液中，单向搅拌均匀；
[0033]S90,将APS溶液和偏重亚硫酸钠溶液加入单体混合液中，搅拌均匀形成凝胶原液；
[0034]S100，将浸泡液后的里脊肉浸入凝胶原液中，并采用离体组织固定装置进行位置固定，静置30s以上使凝胶原液凝固，清洗封膜后即得到本发明的仿生水凝胶组合体。
[0035]在上述步骤S50中对所选的里脊肉进行切割中，形状主要是根据肌瘤的形态结构来进行制定。在本发明中根据评估效果的精确度，里脊肉切削后的规格控制在Icm3?20cm3,首先可以保证组肌瘤模仿体与真实相仿，进一步的加工和处理更加方便；其次这一规格中整体上比较易于可视性观察，治疗头的光斑聚焦后产生变化的灵敏性也比较优异。
[0036]在仿生凝胶组合体中，需要对凝胶的凝结速度和里脊肉活性进行控制，在本发明中用超速凝固的凝胶原液，其中TEMED和APS组合使用，促进凝胶单体超速凝结，提升其凝结时间至几十秒；在固定里脊肉的位置后，缓慢凝结的凝胶类型由于在完全凝结的之前其分子结构具有很高的流动随意性，在凝结中分子间力会导致固定的里脊肉发生位置偏移。并且在制备中采用单向搅拌，保证单体的规整衔接，避免出现杂乱的情形，导致其性质达不到预期。
[0037]并且在上述步骤S70中将里脊肉进行蜡封处理，蜡质封闭可以使里脊肉处于被密闭的状态，从而利于保持其活性和各种生理性能，避免其发生变性等等；而且其还能有利于里脊肉在凝胶中的隔离，避免分子渗透使得整体仿生性能发生改变；同时还使得能够隔绝里脊肉的血红色素等等对凝胶的颜色产生污染，保证凝胶的纯透明可视性，保证仿生评估中的可观测性。其中蜡优选采用石蜡，其蜡质结构稳定。并且在蜡封后用生理盐水稀释的浸泡液浸泡处理，使蜡在凝固后的表面离子分布和渗透压平衡，更加接近于活体组织的性能。并且，进一步在本发明中实施过程中根据仿生评估的效果，将蜡层的厚度优选控制在
0.8mm?1.2mm，这样保证效果最佳。因为当蜡层的厚度再加厚时，治疗头聚焦的光斑的部分的热能将会被蜡吸收，相应地加大了评估结果的误差。
[0038]在上述制备过程中，为了防止其水分的流失，在凝胶中还可以加入琼脂，用于固水，在凝胶中琼脂形成网状交联的固水结构，利于大量保持水分子，并且其本身对凝胶的性能不产生影响；一般的琼脂糖凝胶中琼脂会影响凝胶的凝结速度和谜底结构，而在本发明中本身凝结速度不由琼脂控制，因此添加琼脂后仅仅固水，而对凝结和整体结构性能影响非常小；因此在本发明中采用添加琼脂，更加利于维持各性能的持久性。
[0039]采用本发明的上述制备方法中，制备获得的仿生水凝胶组合体其声学和热学的生理参数上与活体相仿，并且在制备步骤中通过多种因素的控制，进一步保证其更加接近生理条件，综合密度为1.058g/cm3与人体肝脏组织的平均密度1.050g/cm3接近，可以直接用作模拟人体软组织，从而实现可视化的热消融疗效评估。
[0040]为了使本发明的上述制备方法更加清楚以及易于理解，以下通过多个实施例对上述方式进行举例说明:
[0041]实施例1
[0042]S10，取NIPA单体30g溶于350ml脱气去离子水，在磁力搅拌器上搅拌约1min ;待NIPA单体溶解后,加入质量2g的Bis、10g Aam ;搅拌约3min待其溶解形成单体混合液:
[0043]S20,分别将0.8gAPS和0.6g偏重亚硫酸钠各溶于5ml脱气去离子水中得到APS溶液和偏重亚硫酸钠溶液，静置；
[0044]S30，取1.5mlTEMED溶解于5ml的去气水中，充分搅拌均匀后，静置；
[0045]S40，将新鲜质地均匀的里脊肉按照子宫体模的形状进行切削处理，再用尼龙细线作为固定细绳捆绑将里脊肉垂掉起来；
[0046]S50，用医用生理盐水与脱气去离子水按照1:2的比例配制浸泡液，然后把制备好的浸泡液放置冰箱，把溶液温度降低到约10°C ；
[0047]S60，使用恒温锅溶解石蜡，后迅速将里脊肉置于蜡液体中约0.5s后提起，自然晾干凝固约1s后，放到上述制备的浸泡液中浸泡30s ；
[0048]S70，将TEMED溶液加入到单体混合液中，单向、低速充分搅拌；再将APS溶液和偏重亚硫酸钠溶液加入单体混合液中，迅速搅拌均匀作为凝胶聚合反应原液，注入400ml透明塑料杯中；
[0049]S80，通过尼龙绳把里脊肉浸入凝胶聚合反应原液中，通过离体组织固定装置在需要的位置上位置上固定，静置在反应原液中，约30s后自然凝固，得到仿生水凝胶组合体；
[0050]S90，凝固后1Min后，将仿生水凝胶组合体表面在室温下经5次水洗(每次用去离子水浸泡表面6小时，然后倒掉水晾干12小时)，以去除表面残留单体；最后凝胶表面覆盖保鲜膜，保存。
[0051]实施例2
[0052]S10，取NIPA单体40g溶于350ml脱气去离子水，在磁力搅拌器上搅拌约1min ;待NIPA单体溶解后,加入质量3g的Bis、10g Aam ;搅拌约3min待其溶解形成单体混合液:
[0053]S20，分别将0.8gAPS和0.6g偏重亚硫酸钠各溶于5ml脱气去离子水中得到APS溶液和偏重亚硫酸钠溶液，静置；
[0054]S30，取1.5mlTEMED溶解于5ml的去气水中，充分搅拌均匀后，静置；
[0055]S40，将新鲜质地均匀的里脊肉按照子宫体模的形状进行切削处理，再用尼龙细线作为固定细绳捆绑将里脊肉垂掉起来；
[0056]S50，用医用生理盐水与脱气去离子水按照1:2的比例配制浸泡液，然后把制备好的浸泡液放置冰箱，把溶液温度降低到约10°c ；
[0057]S60，使用恒温锅溶解石蜡，后迅速将里脊肉置于蜡液体中约0.5s后提起，自然晾干凝固约1s后，放到上述制备的浸泡液中浸泡30s ；
[0058]S70，将TEMED溶液加入到单体混合液中，单向、低速充分搅拌；再将APS溶液和偏重亚硫酸钠溶液加入单体混合液中，迅速搅拌均匀作为凝胶聚合反应原液，注入400ml透明塑料杯中；
[0059]S80，通过尼龙绳把里脊肉浸入凝胶聚合反应原液中，通过离体组织固定装置在需要的位置上位置上固定，静置在反应原液中，约30s后自然凝固，得到仿生水凝胶组合体；
[0060]S90，凝固后1Min后，将仿生水凝胶组合体表面在室温下经5次水洗(每次用离子水浸泡表面6小时，然后倒掉水晾干12小时)，以去除表面残留单体；最后凝胶表面覆盖保鲜膜，保存。
[0061]实施例3
[0062]S10，取NIPA单体35g溶于350ml脱气去离子水，在磁力搅拌器上搅拌约1min ;待NIPA单体溶解后,加入质量2.6g的Bis、9g Aam ;搅拌约3min待其溶解形成单体混合液:
[0063]S20,分别将0.8gAPS和0.6g偏重亚硫酸钠各溶于5ml脱气去离子水中得到APS溶液和偏重亚硫酸钠溶液，静置；
[0064]S30，取1.5mlTEMED溶解于5ml的去气水中，充分搅拌均匀后，静置；
[0065]S40，将新鲜质地均匀的里脊肉按照子宫体模的形状进行切削处理，再用尼龙细线作为固定细绳捆绑将里脊肉垂掉起来；
[0066]S50，用医用生理盐水与脱气去离子水按照1:2的比例配制浸泡液，然后把制备好的浸泡液放置冰箱，把溶液温度降低到约10°c ；
[0067]S60，使用恒温锅溶解石蜡，后迅速将里脊肉置于蜡液体中约0.5s后提起，自然晾干凝固约1s后，放到上述制备的浸泡液中浸泡30s ；
[0068]S70，将TEMED溶液加入到单体混合液中，单向、低速充分搅拌；再将APS溶液和偏重亚硫酸钠溶液加入单体混合液中，同时加入2.5g的琼脂粉，迅速搅拌均匀作为凝胶聚合反应原液，注入400ml透明塑料杯中；
[0069]S80，通过尼龙绳把里脊肉浸入凝胶聚合反应原液中，通过离体组织固定装置在需要的位置上位置上固定，静置在反应原液中，约30s后自然凝固，得到仿生水凝胶组合体；
[0070]S90，凝固后1Min后，将仿生水凝胶组合体表面在室温下经5次水洗(每次用离子水浸泡表面6小时，然后倒掉水晾干12小时)，以去除表面残留单体；最后凝胶表面覆盖保鲜膜，保存。
[0071]采用本发明的上述仿生水凝胶组合体进行仿生评估时，将超声聚焦治疗头按照在活体治疗过程中进行同样的步骤，在治疗过程中，治疗头置入仿生水凝胶组合体中在里脊肉上进行类似治疗或者切除操作。由于超声聚焦能在焦点区域瞬间产生高温使得离体组织仿生凝固性坏死，由于离体组织在常温下是红色，凝固性坏死后变成白色，结合水凝胶体的高度透明，可以很快观察到焦点位置的离体组织变坏的过程，由红色瞬间变成白色。同时再根据仿生水凝胶组合体的最终的的变化过程和结果，便可以对治疗头的性能进行评估。从而弥补了现有单纯对治疗头的聚焦强度评估而在活体治疗中偏差较大的缺点。
[0072]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体，其特征在于，包括P(NIPA-CO-AA)凝胶体，以及位于所述P (NIPA-CO-AA)凝胶体内的里脊肉； 所述里脊肉表面包覆有蜡层。
2.如权利要求1所述的用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体，其特征在于，所述P(NIPA-CO-AA)凝胶体为长方体或正方体。
3.如权利要求1或2所述的用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体，其特征在于，所述腊层的厚度为0.8mm?1.2mm。
4.如权利要求1或2所述的用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体，其特征在于，所述里脊肉体积为Icm3?20cm3。
5.如权利要求1至4任一项所述的用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 按NIPA与待制备的仿生水凝胶组合体的重量体积比为30?40g:400cm3获取NIPA单体并制成NIPA溶液； 按Bis = NIPA为1:10?20的重量比向所述NIPA溶液加入Bis，以及按照AAm:NIPA为1:3?4的比例向所述NIPA溶液加入AAm，搅拌均匀溶解形成单体混合液； 按APS =NIPA为0.02?0.027:1的重量比取APS制成APS溶液，以及按偏重亚硫酸钠:NIPA为0.015?0.02:1的重量比取偏重亚硫酸钠制成偏重亚硫酸钠溶液；按照NIPA:TEMED为200?267g:1ml的重量体积比取TEMED制成TEMED溶液； 将所述TEMED溶液、APS溶液和偏重亚硫酸钠溶液加入单体混合液中，搅拌均匀形成凝胶原液； 将按所需肌瘤模拟体切削的里脊肉表面进行蜡层包覆处理，然后置于盐水中浸泡； 将浸泡后的里脊肉置入凝胶原液中，并进行固定，然后静置30s以上，使凝胶原液凝固即得用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体。
6.如权利要求5所述的用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体的制备方法，其特征在于，所述凝胶原液中按照0.25?0.5g/ml的比例添加有琼脂。
7.如权利要求5或6所述的用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体的制备方法，其特征在于，所述盐水浸泡处理步骤中，所述盐水为医用生理盐水的2?3倍稀释液。
8.如权利要求5或6所述的用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体的制备方法，其特征在于，所述静置30s以上使凝胶原液凝固步骤后，还包括将所述用于热消融疗效评估的仿生水凝胶组合体进行表面清洗和覆盖保鲜膜。
【文档编号】A61N7/00GK104174122SQ201410378263
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月1日 优先权日:2014年8月1日
【发明者】黄汉年, 江剑晖 申请人:深圳市普罗惠仁医学科技有限公司