柔性脊柱体定位器的研制

申报人：赵晨健申报日期：2025-01-06

基本情况

所属批次:

2025年批次

项目名称:

柔性脊柱体定位器的研制学生申报

项目类型:

创新训练项目

所属学科门类:

工学

所属专业类:

材料类

项目来源名称:

学生来源于教师科研项目选题

项目归属学院:

项目期限:

一年期

项目简介:

随着人口老龄化的加剧和生活方式的变化，脊柱疾病的发病率正呈显著上升趋势。微创脊柱手术技术作为治疗脊柱疾病的重要手段，近年来得到了快速发展。其中，脊柱定位器是微创手术中不可或缺的辅助工具，可帮助医生精准定位椎体并引导手术器械完成操作。目前市场上常见的脊柱定位器多采用金属材料制成，但这类材料存在以下显著不足：刚性较大，不易与人体贴合，难以适应复杂的手术需求；部分采用铅基材料，有对人体环境不友好和显影效果差的缺点。本项目拟研制一种新型柔性脊柱定位器，创新性地采用铋基材料与天然橡胶复合而成。铋基材料具有优异的X射线吸收能力，可以实现辐射屏蔽，达到清晰显影定位的效果；天然橡胶则具备良好的弹性与柔韧性，能提升定位器的适应性与患者使用的舒适度。故本项目符合材料的应用，定位器将弥补传统金属材料的缺陷，为微创脊柱手术提供更高效、安全的解决方案。

负责人曾经参与科研的情况:

参与挑战杯一项，大创一项。

指导教师承担科研课题情况:

1. 项目名称：丁腈医用手套专用碳酸钙产品的开发及其产业化应用，项目负责人：莫淑一，项目起始时间：2024.01-2026.12，项目来源：桂林市科学研究与技术开发计划重点研发计划。

2. 项目名称：高性能硅酮胶用纳米碳酸钙的开发，项目负责人：莫淑一，项目起始时间：2024.07-2026.07，项目来源：企业委托开发项目。

3. 项目名称：薄膜用碳酸钙材料关键技术和产业化，主要参与者：莫淑一，项目起始时间：2018.09-2022.10，项目来源：广西创新驱动发展专项（科技重大专项）。

4.项目名称：:碳酸钙光电化学性能研究，项目负责人：黄雅歆，项目起始时间：2023.12-2025.12，项目来源：广西光电材料与器件重点实验室自主研究课题

指导教师对本项目的支持情况:

全程支持，主要为项目团队的研究背景和研究设计提供方向性的指导，在难点和重点部分进行把关，帮助项目团队解决项目的难点。

项目级别:

校级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	赵晨健	材料科学与工程学院	无机非金属材料工程（实验班）	2022	查阅实验相关资料，相关工作安排	第一主持人
2	覃火梅	材料科学与工程学院	无机非金属材料工程（实验班）	2022	查找文献资料，分析数据，制图	成员
3	刘彦灵	材料科学与工程学院	无机非金属材料工程	2022	购买实验所需材料，协助制定方案	成员
4	黎绪诚	材料科学与工程学院	无机非金属材料工程（实验班）	2022	分析数据，购实验所需的材料	成员
5	黄琴	材料科学与工程学院	材料科学与工程	2023	实验测定，实验数据记录	成员

指导教师

序号	教师姓名	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	莫淑一	材料科学与工程学院	否	第一指导教师
2	黄雅歆	材料科学与工程学院	否	指导教师

立项依据

研究目的:

(1)复合材料的设计与优化：研发以天然橡胶为基底、铋基材料（铋烯、氧化铋）为填料的复合材料，优化其配方和工艺，以获得最佳的物理性能和X射线防护效果。通过调节铋基填料的含量和粒径，最大限度提高X射线衰减率，满足微创手术中的辐射防护和定位器显影的需求。

(2)提高定位精度与实用性：利用铋基材料填充到天然橡胶中提高材料整体密度和铋元素高原子序数提高材料整体电子浓度，从而提高对X射线的吸收能力。并以此增强定位标记的清晰度，提升手术中的定位精度。天然橡胶的弹性和柔韧性则确保定位器能够紧密贴合脊柱曲面，减少因接触不良而引起的定位误差。

(3)环保与健康安全性：用铋基材料替代传统铅基材料，减少对环境的污染和人体的潜在危害。铋基材料具有较低的毒性，其在人体内的溶解度低，若受到污染，可通过尿道迅速排出，使用其代替传统材料可以提高患者使用过程中的安全性，推动无铅辐射防护材料的普及与应用

研究内容:

（1）复合材料的合成与性能优化：制备不同含量的复合材料，系统评估铋烯、氧化铋（Bi2O3）在不同浓度下对材料辐射屏蔽特性（质量衰减系数、铅当量等）和力学性能和热稳定性的影响。通过X射线衰减系数、铅当量等指标，研究铋基材料的浓度和粒径对材料辐射防护效果的影响，探讨其在医学影像中的辐射防护能力。进一步优化复合材料配方，确保其在满足辐射防护要求的同时，具备理想的力学性能和热稳定性，适应高强度微创手术环境。

（2）柔性脊柱定位器的设计与开发：借鉴现有医学影像和定位技术，结合脊柱患者的解剖数据，设计符合生物力学要求的柔性脊柱定位器原型。通过有限元分析（FEA）模拟定位器在施力下的形变和稳定性，确保定位器在手术中能精准保持形状并适应不同脊柱曲线。采用优化材料设计理念，开发柔性材料，便于快速调整定位器的尺寸和形状，满足不同患者的个性化需求。通过简单易操作的技术，更适用于工业化生产。

（3）结构优化与功能提升：基于生物力学分析优化定位器的结构，确保其在手术过程中具备必要的柔性与稳定性。引入可调节连接结构，提升定位器的适应性，确保其能够根据不同脊柱形态灵活调整。进一步设计防滑纹理和锁定机制，增强定位器与脊柱接触面的稳定性，减少操作过程中可能出现的位移或滑动，提高手术的安全性和精准性。

（4）模拟测试与临床前验证：在模拟脊柱骨骼模型上进行精准定位测试，通过X射线影像对比，验证定位器的定位精度和操作便利性。进一步开展模拟临床手术场景的功能性测试，验证定位器在动态环境中的适应性、舒适性以及稳定性，确保其在实际临床应用中具有较高的可靠性和效能。

国、内外研究现状和发展动态:

在国际上，随着医疗辐射防护需求的不断增加，研究者们对聚合物基复合材料的应用展开了广泛探索。特别是涉及高原子序元素的材料的应用逐渐受到重视。加拿大某大学的研究小组在其论文《Novel Bi2O3-Polymer Composites for Radiation Shielding》中，系统评估了铋基材料与聚合物的复合效果，结果表明，这种材料能有效提高伽马射线的衰减能力。国外的研究还提出了多层结构复合材料和纳米填料的应用，这为提升材料整体性能提供了新的思路与方向。

在国内，随着健康意识的提升与医疗技术的进步，对无铅辐射防护材料的需求也日益增长。国内研究者对天然橡胶基复合材料的研发逐步深入，特别是探讨铋基材料及其他高原子序材料在天然橡胶中的应用。南京医科大学的一项研究《天然橡胶基Bi2O3复合材料的制备及其辐射防护性能》显示，NR/Bi2O3复合材料在伽马射线的衰减性能方面具有优越性能，且施工工艺简单。北京理工大学的研究小组在论文《柔性无铅辐射防护材料的研究进展》中，强调了天然橡胶与无铅材料结合的环保意义及临床应用前景，为未来的环境友好型医疗器械提供了重要参考。

创新点与项目特色:

（1）材料创新：本项目的核心创新在于将天然橡胶与铋基材料相结合，开发一种新型的无铅柔性脊柱体定位器。这种复合材料在柔性的同时，提升了辐射屏蔽能力，体现了一种新颖的环保理念。

（2）设计的个性化与灵活性：针对不同患者的脊柱解剖特征，项目设计了一种柔性大的定位器模型。传统不锈钢等材料的脊柱体定位器由于其刚性大的缺点导致缺乏灵活性，不易调节控制，而该脊柱定位器材料依靠其柔性特点不仅能够精准调节定位角度和位置，从而满足特定手术需求，还确保在手术过程中舒适可靠，最大限度减少对患者的侵扰。

（3）环保与安全理念的融合：打破了传统铅基辐射防护材料的应用限制，致力于推动无铅材料在医疗领域的使用。这不仅符合医疗卫生的发展需求，也响应了全球范围内对环保、可持续性及生物安全的日益关注。与传统铅基材料相比，铋基材料具有低毒性、重量轻、灵活性高和成本低等优点，使其成为医疗领域铅基材料的理想替代品。

（4）简易生产方式的应用：项目计划运用简单易懂的材料制备技术（采用模具成型），结合扎实的力学和辐射屏蔽理论，以确保材料的性能与功能达成最佳平衡。此外，简易的生产方式能够大大利于工业的大规模生产与运用。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

技术路线：

高填充量铋基材料作为显影橡胶制品的制备方法，其铋基材料填充量在30 ~200份。所用的材料包含天然橡胶、铋基材料、混合助剂等。

图1工艺流程图（图上铋基化合物改为铋基材料）

（1）混合助剂按比例添加到乳胶中预硫化

首先将混合助剂按比例添加到乳胶中进行预硫化。混合助剂的种类符合天然橡胶的性能要求，常见的有硫磺、促进剂、抗氧化剂、填充剂等。预硫化的目的是提高乳胶的粘度和强度，使其更容易成型和硫化。

预硫化的过程通常在搅拌下进行，控制温度并根据天然乳胶的特性控制时间。在预硫化过程中，硫磺和促进剂会与乳胶中的橡胶分子发生反应，形成交联键，使乳胶的粘度和强度逐渐增加。

（2）将填料铋基材料加入其中均匀混合

将填料铋基材料加入预硫化后的乳胶中，并进行充分混合。铋基材料是一种高密度、高原子序数的材料，具有良好的显影性能。常见的铋基材料主要包括铋烯、氧化铋、碳酸铋等。

混合过程需要保证铋基材料在乳胶中均匀分散，避免出现沉淀或团聚现象。生产实验过程中可以使用搅拌器搅拌0.5—1h进行混合，由于填料铋基材料为纳米级材料。

（3）模具中制备铋基材料防辐射柔性乳胶制品

将混合后的乳胶倒入模具中，并在一定温度和容器中下进行硫化。硫化的过程使乳胶中的橡胶分子进一步交联，形成稳定的三维网络结构。硫化后的柔性乳胶制品具有良好的显影性能，可以用于制作医用防辐射铋基材料/乳胶脊椎显影定位器等。

拟解决的问题：

（1）高效显影与舒适性的平衡：如何在确保高效显影的同时，维护设备的柔韧性和使用舒适度，以适应不同患者的需求。

（2）定位精度的提升：如何通过设计创新和材料优化，实现脊柱定位器在手术过程中的精准定位与稳定支持。

（3）环保材料的应用：如何在不影响性能的前提下，推进铋基材料的广泛应用，使之成为现有医疗显影及辐射防护材料的替代方案。

预期成果：

（1）成功研制出一种新型的柔性脊柱体定位器，具有高效的显影能力及良好的使用舒适度，经过临床前测试并符合医疗使用标准。

（2）形成一套完整的材料研发与定位器设计的理论与实践框架，为后续的产品开发和市场推广提供参考。在相关学术期刊上发表研究成果，申请相关技术专利，推动该创新产品在临床应用的进一步推广与应用。

项目研究进度安排:

第1-2个月文献调研及市场需求分析，确立材料合成的初步方案及目标

第3-4个月完成复合材料的制备，聚焦材料性能的系统测试与优化

第5-6个月设计与构建脊柱体定位器原型，进行初步功能测试和评估

第7-10个月开展临床前实验及综合评估，分析数据并进行设计修正

第11-12个月项目总结，撰写并提交研究论文和专利申请，准备后续推广和应用计划

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

本项目已经开展了部分实验并取得了一定的成果。

2实验成品照片

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

（1）已具备条件

我们已经建立了柔性脊柱体定位器的研制的计划路线，同时也研究了其各项物理化学性能。此外，我们还配备了相应的实验室设施，以支持对这些材料的研究和开发工作。

（2）尚缺少的条件

我们的团队由四名大三和一名大二学生组成，专业背景均为无机非金属材料。然而，目前团队成员在实验室操作方面的经验比较欠缺。由于先前实验经验不同导致实验技能上存在一定的差异。

（3）解决方法

团队的五位成员积极主动投入到项目中，不懈努力查阅相关资料，以增强对项目所需知识的理解。除了自主学习，我们还应主动与实验室的师兄师姐进行交流，向他们请教实验操作的技巧和经验教训。同时，我们还应寻求那些拥有相关实验经验的老师和同学的指导，希望能从他们的经验中汲取宝贵的教训和建议。通过这些努力，我们将掌握与项目研究相关的知识，提升自己的实践能力，以便顺利完成项目任务并取得优异成绩。

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	20000.00	无	16000.00	4000.00
1. 业务费	8500.00	用于实验相关事项	5500.00	3000.00
（1）计算、分析、测试费	3500.00	样品SEM、XRD和力学性能等测试费	2500.00	1000.00
（2）能源动力费	0.00	无	0.00	0.00
（3）会议、差旅费	0.00	无	0.00	0.00
（4）文献检索费	0.00	无	0.00	0.00
（5）论文出版费	5000.00	发表学术论文版面费和专利申请相关费用	3000.00	2000.00
2. 仪器设备购置费	0.00	无	0.00	0.00
3. 实验装置试制费	6500.00	不同尺寸和形状模具的定制费用	6500.00	0.00
4. 材料费	5000.00	用于购买实验原材料	4000.00	1000.00

结束