CN112915266B - 一种人工膀胱铁磁复合体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种人工膀胱铁磁复合体包括：铁磁基体及包裹于铁磁基体上的包覆涂层；铁磁基体包括以下组分：有机硅胶、聚二甲基硅氧烷树脂、磁颗粒，有机硅胶与聚二甲基硅氧烷树脂的体积比为(4～10)：1，磁颗粒占铁磁基体的体积分数为20～40％；包覆涂层包括以下组分：有机硅胶及亮光剂，有机硅胶与亮光剂的质量比为(1.0～2.0)：1。该人工膀胱铁磁复合体能作为磁驱动软膀胱泵的致动源，受益于铁磁复合体中永磁粒子的高矫顽力和分布的致动源，铁磁显示出可靠的致动，同时输出大量的磁力，起到人工逼尿肌作用挤压排空膀胱。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学技术领域，特别涉及一种人工膀胱铁磁复合体及其制备方法。
背景技术
快速发展应用于生物医学领域的软机器人旨在提升医疗条件并提供新颖的治疗工具，如手术器械，人体模拟和药物输送。作为一类具有高顺应性和生物相容性主动系统，软机器人在协助器官运动甚至重建器官方面都具有广阔的前景。人们已经在努力尝试将软身机器人用于假体辅助设备中，以应对各种病变的肌肉，例如心肌，手部肌肉以及括约肌。
膀胱功能低下(UAB)的特征是由于肌肉收缩无力导致排尿时间延长，导致严重的并发症甚至死亡.受年龄增长，神经系统疾病，创伤和糖尿病等影响，UAB的发病率高，其中男性有9-98％，女性有12-45％。以神经调节(SNM)为代表的基于神经的疗法已显示出克服OAB(过度活动膀胱)/DU(逼尿肌活动低下)的潜力。然而，完整的排尿反射弧神经回路对于实现SNM的临床疗效是必不可少的，这表明该装置不适用于骶部神经或阴部神经受伤的或具有病理逼尿肌的患者。
与当前的解决办法不同，增加逼尿肌的收缩力是排空膀胱的直接和根本的解决方案。目前已有人尝试通过再生医学策略(例如，肌肉移植和干细胞注射)来恢复逼尿肌的收缩能力。然而，这些方法仅部分恢复了膀胱的储尿功能，而在更大范围的OAB/DU患者中风险与获益比仍有待进一步评估。
现有研究提出了几种基于接触式的软机器人直接植入的液压系统直接挤压膀胱的解决方案，我们将其命名为Endoskeleton/人工逼尿肌。这些膀胱内压力维持系统驱动力主要源自热响应性凝胶或形状记忆合金，旨在包裹膀胱体并在相应的刺激下发生物理收缩。先前的研究结果表明，这些机械的策略有效地提高了膀胱内压，改善了膀胱动力低下的问题，尽管取得了令人鼓舞的结果，但是现有的人工逼尿肌提供的液压压力有限，与人类肌肉水平相差甚远，这是由于激励源相对较低的工作效率导致的。此外，由于缺乏现实的医疗设计和生物安全性的优化，使得当前的软膀胱辅助机器人系统无法实现可靠的长期功能。
发明内容
本申请提供了一种人工膀胱铁磁复合体及其制备方法，解决或部分解决了现有技术中人工逼尿肌提供的液压压力有限，与人类肌肉水平相差甚远，缺乏现实医疗设计和生物安全性的优化，无法实现可靠长期功能的技术问题；实现了提供一种能作为磁驱动软膀胱泵致动源的铁磁复合体，受益于铁磁复合体中永磁粒子的高矫顽力和分布的致动源，铁磁显示出可靠的致动，同时输出大量的磁力，起到人工逼尿肌作用挤压排空膀胱。
本申请所提供的一种人工膀胱铁磁复合体，包括：铁磁基体及包裹于所述铁磁基体上的包覆涂层；所述铁磁基体包括以下组分：有机硅胶、聚二甲基硅氧烷树脂、磁颗粒，所述有机硅胶与所述聚二甲基硅氧烷树脂的体积比为(4～10)：1，所述磁颗粒占所述铁磁基体的体积分数为20％～40％；所述包覆涂层包括以下组分：有机硅胶及亮光剂，所述有机硅胶与所述亮光剂的体积比为(1.0～2.0)：1。
作为优选，所述铁磁基体的有机硅胶及所述包覆涂层的有机硅胶都为双组份材料的铂金固化硅胶Ecoflex 00-30，所述铂金固化硅胶Ecoflex00-30的A组分与B组分的体积比为1:1。
作为优选，所述聚二甲基硅氧烷树脂的型号为Sylgard 184。
作为优选，所述磁颗粒为NdFeB、Fe、FeC中任一种或多种组合。
作为优选，所述磁颗粒为NdFeB，平均粒径为5μm。
基于同样的发明创造，本申请还提供了一种所述人工膀胱铁磁复合体的制备方法，包括以下步骤：
将所述有机硅胶与所述聚二甲基硅氧烷树脂按设定体积比混合均匀，形成未固化基质复合胶料；
将设定体积分数的所述磁颗粒加入所述未固化基质复合胶料中混合均匀，形成未固化铁磁复合物；
将含铂固化剂加入所述未固化铁磁复合物中搅拌均匀后进行固化，制得所述铁磁基体；
将设定体积比的所述有机硅胶与所述亮光剂混合，获得有机硅胶溶液；
将所述有机硅胶溶液均匀喷涂于所述铁磁基体的表面后胶凝形成所述包覆涂层；
将所述铁磁基体中的所述磁颗粒均匀磁化后，制得所述人工膀胱铁磁复合体。
作为优选，在进行固化前，可将设定体积比的所述亮光剂加入所述未固化铁磁复合物。
作为优选，所述有机硅胶与所述聚二甲基硅氧烷树脂通过行星式混合机进行混合，转速控制为800～1500rpm，混合时间控制为2～5min。
作为优选，所述磁颗粒与所述未固化基质复合胶料通过振动混合器进行混合，混合时间控制为2～10min。
作为优选，所述含铂固化剂占所述未固化铁磁复合物的重量百分比为5.0％～10.3％；所述含铂固化剂加入所述未固化铁磁复合物后搅拌的时间控制为5～20min；固化过程的温度控制为35～50℃，时间控制为2～24h。
作为优选，制得所述铁磁基体后，通过乙醇和异丙醇清洗所述铁磁基体，并在氮气流环境中干燥；
通过离心机混合所述有机硅胶与所述亮光剂，转速控制为800～1500rpm；所述有机硅胶与所述亮光剂的体积比为1.5:1；
通过带有气泵的喷枪将所述有机硅胶溶液均匀喷涂于所述铁磁基体的表面；
所述包覆涂层的胶凝过程中，温度控制为35～50℃，时间控制为1～3h。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请的人工膀胱铁磁复合体用于制造柔性磁响应膀胱泵，通过有机硅胶、聚二甲基硅氧烷树脂、磁颗粒组成的铁磁基体，能起到人造逼尿肌的作用，使柔性磁响应膀胱泵进行接触式挤压排空膀胱；将铁磁基体排列进一个与充盈膀胱共形的硅树脂框架中形成柔性磁响应膀胱泵，每一个磁颗粒都被均匀地磁化，使其在永磁体产生的梯度磁场下挤压充盈的膀胱，以对抗括约肌的阻力，继而重建残疾膀胱的排尿功能。包覆涂层的设计，使其具有良好的生物相容性，而且，与天然人体器官相比，铁磁复合体具有更高的模量和更高的密度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的人工膀胱铁磁复合体制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请所提供的一种人工膀胱铁磁复合体，包括：铁磁基体及包裹于铁磁基体上的包覆涂层；铁磁基体包括以下组分：有机硅胶、聚二甲基硅氧烷树脂、磁颗粒，有机硅胶与聚二甲基硅氧烷树脂的体积比为(4～10)：1，磁颗粒占铁磁基体的体积分数为20％～40％；包覆涂层包括以下组分：有机硅胶及亮光剂，有机硅胶与亮光剂的体积比为(1.0～2.0)：1。
进一步的，铁磁基体的有机硅胶及包覆涂层的有机硅胶都为双组份材料的铂金固化硅胶Ecoflex 00-30，铂金固化硅胶Ecoflex 00-30的A组分与B组分的体积比为1:1。聚二甲基硅氧烷树脂(PDMS树脂)的型号为Sylgard184。
磁颗粒为NdFeB、Fe、FeC中任一种或多种组合；磁颗粒被均匀磁化。作为一种优选地实施例，磁颗粒为NdFeB，平均粒径为5μm。
基于同样的发明创造，参见附图1，本申请还提供了一种人工膀胱铁磁复合体的制备方法，包括以下步骤：
S1：将有机硅胶与聚二甲基硅氧烷树脂按设定体积比混合均匀，形成未固化基质复合胶料；
S2：将设定体积分数的磁颗粒加入未固化基质复合胶料中混合均匀，形成未固化铁磁复合物；
S3：将含铂固化剂加入未固化铁磁复合物中搅拌均匀后进行固化，制得铁磁基体；
S4：将设定体积比的有机硅胶与亮光剂混合，获得有机硅胶溶液；
S5：将有机硅胶溶液均匀喷涂于铁磁基体的表面后胶凝形成包覆涂层；
S6：将铁磁基体中的磁颗粒均匀磁化后，制得人工膀胱铁磁复合体。
进一步的，在进行固化前，可将设定体积比的亮光剂加入未固化铁磁复合物，具体为：亮光剂与未固化铁磁复合物的重量百分比为2～4％，亮光剂用于调整流体粘度，有利于制备过程中注塑固化成型工序的操作。
进一步的，有机硅胶与聚二甲基硅氧烷树脂通过行星式混合机进行混合，转速控制为800～1500rpm，混合时间控制为2～5min，除泡时间为1min。磁颗粒与未固化基质复合胶料通过振动混合器进行混合，混合时间控制为2～10min，除泡时间为1min。
含铂固化剂占未固化铁磁复合物的重量百分比为5.0％～10.3％；含铂固化剂加入未固化铁磁复合物后搅拌的时间控制为5～20min；固化过程的温度控制为35～50℃，时间控制为2～24h。
进一步的，制得铁磁基体后，通过乙醇和异丙醇清洗铁磁基体，并在氮气流环境中干燥；通过离心机混合有机硅胶(具体为：Ecoflex 00-30(A部分：B部分＝1：1))与亮光剂，转速控制为800～1500rpm；有机硅胶与亮光剂的体积比为1.5:1；通过带有气泵的喷枪将有机硅胶溶液均匀喷涂于铁磁基体的表面；包覆涂层的胶凝过程中，温度控制为35～50℃，时间控制为1～3h。包覆涂层的设计，使人工膀胱铁磁复合体具有良好的生物相容性，而且，与天然人体器官相比，该铁磁复合体具有更高的模量和更高的密度。
下面通过具体实施例来详细介绍人工膀胱铁磁复合体的制备方法：
实施例1
首先通过使用行星式混合机将两种有机硅基材料Ecoflex 00-30(Smooth-onInc)与PDMS树脂(Sylgard 184，道康宁(Dow Corning))以5：1的体积比均匀混合，制备未固化基质复合胶料，以行星混合器800rpm的转速混合2min，除泡1min。对于Ecoflex 00-30组分，A部分和B部分的体积比为1：1。
通过振动混合器在10速齿轮上将体积分数为25％、平均粒径为5μm的NdFeB微粒与未固化基质复合胶料均匀混合2min，除泡1min，制备未固化铁磁复合物。
在未固化铁磁复合物中加入5.5wt％的含铂固化剂，搅拌均匀后进行固化，以上操作在30min内完成。在40℃环境下固化4h获得铁磁基体。铁磁基体中的磁颗粒在大功率电源(7000V以上)供能的直径180mm的脉冲励磁线圈产生的脉冲磁场(约3.0T)中被均匀磁化。
通过乙醇和异丙醇清洗铁磁基体，并在氮气流环境中干燥；通过离心机混合Ecoflex 00-30(A部分：B部分＝1：1)与亮光剂，转速控制为800rpm；Ecoflex 00-30与亮光剂的体积比为1.5：1；通过带有气泵的喷枪将有机硅胶溶液均匀喷涂于铁磁基体的表面后胶凝形成包覆涂层；包覆涂层的胶凝过程中，温度控制为38℃，时间控制为1.5h。
实施例2
首先通过使用行星式混合机将两种有机硅基材料Ecoflex 00-30(Smooth-onInc)与PDMS树脂(Sylgard 184，道康宁(Dow Corning))以6：1的体积比均匀混合，制备未固化基质复合胶料，以800rpm的转速持续3min，除泡1min。对于Ecoflex 00-30组分，A部分和B部分的体积比为1：1。
通过振动混合器在10速齿轮上将体积分数为30％、平均粒径为5μm的NdFeB微粒与未固化基质复合胶料均匀混合4min，除泡1min，制备未固化铁磁复合物。
在未固化铁磁复合物中加入7.85wt％的含铂固化剂，搅拌均匀后进行固化，以上操作在30min内完成。在40℃环境下固化10h获得铁磁基体。铁磁基体中的磁颗粒在大功率电源(7000V以上)供能的直径180mm的脉冲励磁线圈产生的脉冲磁场(约3.0T)中被均匀磁化。
通过乙醇和异丙醇清洗铁磁基体，并在氮气流环境中干燥；通过离心机混合Ecoflex 00-30(A部分：B部分＝1：1)与亮光剂，转速控制为800rpm；Ecoflex 00-30与亮光剂的体积比为1.5：1；通过带有气泵的喷枪将有机硅胶溶液均匀喷涂于铁磁基体的表面后胶凝形成包覆涂层；包覆涂层的胶凝过程中，温度控制为40℃，时间控制为2h。
实施例3
首先通过使用行星式混合机将两种有机硅基材料Ecoflex 00-30(Smooth-onInc)与PDMS树脂(Sylgard 184，道康宁(Dow Corning))以9：1的体积比均匀混合，制备未固化基质复合胶料，以1200rpm的转速持续2min，除泡1min。对于Ecoflex 00-30组分，A部分和B部分的体积比为1：1。
通过振动混合器在10速齿轮上将体积分数为40％、平均粒径为5μm的NdFeB微粒与未固化基质复合胶料均匀混合6min，除泡1min，制备未固化铁磁复合物。
在未固化铁磁复合物中加入9.09wt％的含铂固化剂，搅拌均匀后进行固化，以上操作在30min内完成。在42℃环境下固化20h获得铁磁基体。铁磁基体中的磁颗粒在大功率电源(7000V以上)供能的直径180mm的脉冲励磁线圈产生的脉冲磁场(约3.0T)中被均匀磁化。
通过乙醇和异丙醇清洗铁磁基体，并在氮气流环境中干燥；通过离心机混合Ecoflex 00-30(A部分：B部分＝1：1)与亮光剂，转速控制为1200rpm；Ecoflex 00-30与亮光剂的体积比为1.5：1；通过带有气泵的喷枪将有机硅胶溶液均匀喷涂于铁磁基体的表面后胶凝形成包覆涂层；包覆涂层的胶凝过程中，温度控制为42℃，时间控制为2h。
实施例4
首先通过使用行星式混合机将两种有机硅基材料Ecoflex 00-30(Smooth-onInc)与PDMS树脂(Sylgard 184，道康宁(Dow Corning))以9.5：1的体积比均匀混合，制备未固化基质复合胶料，以1500rpm的转速持续3min，除泡1min。对于Ecoflex 00-30组分，A部分和B部分的体积比为1：1。
通过振动混合器在10速齿轮上将体积分数为40％、平均粒径为5μm的NdFeB微粒与未固化基质复合胶料均匀混合5min，除泡1min，制备未固化铁磁复合物。
在未固化铁磁复合物中加入10.1wt％的含铂固化剂，搅拌均匀后进行固化，以上操作在30min内完成，在45℃环境下固化20h获得铁磁基体。铁磁基体中的磁颗粒在大功率电源(7000V以上)供能的直径180mm的脉冲励磁线圈产生的脉冲磁场(约3.0T)中被均匀磁化。
通过乙醇和异丙醇清洗铁磁基体，并在氮气流环境中干燥；通过离心机混合Ecoflex 00-30(A部分：B部分＝1：1)与亮光剂，转速控制为1500rpm；Ecoflex 00-30与亮光剂的体积比为1.5：1；通过带有气泵的喷枪将有机硅胶溶液均匀喷涂于铁磁基体的表面后胶凝形成包覆涂层；包覆涂层的胶凝过程中，温度控制为45℃，时间控制为2.5h。
本申请的人工膀胱铁磁复合体可用于制造柔性磁响应膀胱泵，通过有机硅胶、聚二甲基硅氧烷树脂、磁颗粒组成的铁磁基体，能起到人造逼尿肌的作用，使柔性磁响应膀胱泵进行接触式挤压排空膀胱；将铁磁基体排列进一个与充盈膀胱共形的硅树脂框架中形成柔性磁响应膀胱泵，再将柔性磁响应膀胱泵整体套装在残疾膀胱上，每一个磁颗粒都被均匀地磁化，使其在永磁体产生的梯度磁场下挤压充盈的膀胱，以对抗括约肌的阻力，继而重建残疾膀胱的排尿功能。包覆涂层的设计，使其具有良好的生物相容性，而且，与天然人体器官相比，铁磁复合体具有更高的模量和更高的密度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种人工膀胱铁磁复合体，其特征在于，包括：铁磁基体及包裹于所述铁磁基体上的包覆涂层；所述铁磁基体包括以下组分：有机硅胶、聚二甲基硅氧烷树脂、磁颗粒，所述有机硅胶与所述聚二甲基硅氧烷树脂的体积比为(4～10)：1，所述磁颗粒占所述铁磁基体的体积分数为20％～40％；所述包覆涂层包括以下组分：有机硅胶及亮光剂，所述有机硅胶与所述亮光剂的体积比为(1.0～2.0)：1；
所述磁颗粒为NdFeB、Fe、FeC中任一种或多种组合；所述磁颗粒被均匀磁化；
所述人工膀胱铁磁复合体的制备方法，包括以下步骤：
将所述有机硅胶与所述聚二甲基硅氧烷树脂按设定体积比混合均匀，形成未固化基质复合胶料；
将设定体积分数的所述磁颗粒加入所述未固化基质复合胶料中混合均匀，形成未固化铁磁复合物；
将含铂固化剂加入所述未固化铁磁复合物中搅拌均匀后进行固化，制得所述铁磁基体；
将设定体积比的所述有机硅胶与所述亮光剂混合，获得有机硅胶溶液；
将所述有机硅胶溶液均匀喷涂于所述铁磁基体的表面后胶凝形成所述包覆涂层；
将所述铁磁基体中的所述磁颗粒均匀磁化后，制得所述人工膀胱铁磁复合体。
2.如权利要求1所述的人工膀胱铁磁复合体，其特征在于，所述磁颗粒为NdFeB，平均粒径为5μm。
3.如权利要求1所述人工膀胱铁磁复合体，其特征在于，在进行固化前，可将设定体积比的所述亮光剂加入所述未固化铁磁复合物。
4.如权利要求1所述人工膀胱铁磁复合体，其特征在于，所述有机硅胶与所述聚二甲基硅氧烷树脂通过行星式混合机进行混合，转速控制为800～1500rpm，混合时间控制为2～5min。
5.如权利要求4所述人工膀胱铁磁复合体，其特征在于，所述磁颗粒与所述未固化基质复合胶料通过振动混合器进行混合，混合时间控制为2～10min。
6.如权利要求4所述人工膀胱铁磁复合体，其特征在于，所述含铂固化剂占所述未固化铁磁复合物的重量百分比为5.0％～10.3％；所述含铂固化剂加入所述未固化铁磁复合物后搅拌的时间控制为5～20min；固化过程的温度控制为35～50℃，时间控制为2～24h。
7.如权利要求1所述人工膀胱铁磁复合体，其特征在于，
制得所述铁磁基体后，通过乙醇和异丙醇清洗所述铁磁基体，并在氮气流环境中干燥；
通过离心机混合所述有机硅胶与所述亮光剂，转速控制为800～1500rpm；所述有机硅胶与所述亮光剂的体积比为1.5:1；
通过带有气泵的喷枪将所述有机硅胶溶液均匀喷涂于所述铁磁基体的表面；
所述包覆涂层的胶凝过程中，温度控制为35～50℃，时间控制为1～3h。
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