剛度可調(diào)的溫度敏感型靜脈注射針設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)靜脈注射針的剛性特征會(huì)導(dǎo)致組織損傷，并增加通過(guò)針頭傳播病原體的風(fēng)險(xiǎn)。為解決以上問(wèn)題，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院Jae-Woong Jeong/Won-Il Jeong團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種靜脈注射針，其剛度和形狀取決于體溫。這種注射針的針頭足夠硬，可以插入軟組織，但插入后會(huì)變得不可逆轉(zhuǎn)地軟化，以適應(yīng)血管的形狀，并減少移除時(shí)針頭損傷的風(fēng)險(xiǎn)。此外，集成薄膜溫度傳感器的靜脈注射針可以監(jiān)測(cè)小鼠的核心體溫，并在體外檢測(cè)豬組織的液體滲漏。該研究近期以“A temperature-responsive intravenous needle that irreversibly softens on insertion”為題發(fā)表在Nature Biomedical Engineering期刊上。

圖1a顯示了溫度敏感型靜脈注射針的示意圖。這種靜脈注射針主要包括兩個(gè)部分：（1）矩形針框，和（2）軟聚合物封裝。針框由鎵制成兩種U型槽結(jié)構(gòu)；每個(gè)框的上、側(cè)壁厚度分別為0.20 mm和0.10 mm。外U型槽框架放置在內(nèi)U型槽平臺(tái)上，將其兩側(cè)壁圍成一個(gè)封閉的矩形中空結(jié)構(gòu)，然后使用具有優(yōu)異撕裂強(qiáng)度的有機(jī)硅進(jìn)行封裝。鎵是開(kāi)發(fā)可變剛度醫(yī)用針的最佳材料，因?yàn)樗诠腆w和液體之間具有相轉(zhuǎn)換性、低玻璃化溫度和生物相容性。為了增加更多的功能，可以將薄膜溫度傳感器嵌入針頭中，以實(shí)現(xiàn)體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 這種溫度敏感型靜脈注射針的剛度和形狀可以調(diào)整。

針在室溫下堅(jiān)硬而筆直，就像傳統(tǒng)的醫(yī)用針一樣，但當(dāng)施加~ 30°C或更高的溫度時(shí)，由于封裝的鎵框架的液化，針變得柔軟。圖1c顯示了這種靜脈注射針的剛度調(diào)節(jié)特性，以及其即使在柔軟、高度變形的狀態(tài)下也能可靠地輸送流體的能力。此外，靜脈注射針在使用后是完全軟化的，使其完全不可重復(fù)使用。因此，這種靜脈注射的特性不僅加強(qiáng)了靜脈注射時(shí)患者的舒適度和依從性，還降低了通過(guò)意外針頭損傷和針頭重復(fù)使用在患者和醫(yī)護(hù)人員中傳播致命血液傳播病原體的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

圖1?溫度敏感型靜脈注射針針頭的設(shè)計(jì)和工作原理

了解溫度敏感型靜脈注射針的熱行為對(duì)于確定其剛度變化特性至關(guān)重要。圖2a ~ 2c顯示了溫度敏感型靜脈注射針對(duì)模擬生物組織環(huán)境（~ 37°C）的溫度的熱響應(yīng)。根據(jù)相變圖，當(dāng)溫度敏感型靜脈注射針暴露在37℃時(shí)，大約需要60秒才能轉(zhuǎn)變?yōu)槿彳洜顟B(tài)，相變過(guò)程中體積變化可以忽略不計(jì)。鎵基針的剛性到柔軟狀態(tài)的相轉(zhuǎn)變時(shí)間可以通過(guò)減少鎵和聚合物密封劑的厚度來(lái)改善。 圖2d顯示了溫度敏感型靜脈注射針的剛度調(diào)節(jié)能力。剛性模式下的溫度敏感型靜脈注射針具有較高的彎曲剛度，可以確保軟組織插入。當(dāng)轉(zhuǎn)換為柔軟狀態(tài)時(shí)，剛度顯著降低，促進(jìn)動(dòng)態(tài)變形，從而消除血管壁機(jī)械損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

為了進(jìn)一步確定剛性溫度敏感型靜脈注射針的組織穿透能力，該研究利用人造組織模型進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，溫度敏感型靜脈注射針的抗壓強(qiáng)度可以克服穿刺皮膚所需的應(yīng)力，等效皮膚穿刺力為1 N。此外，鎵基針頭封裝材料的選擇對(duì)于安全、剛性插入起著至關(guān)重要的作用。

圖2 鎵基溫度敏感型靜脈注射針的熱學(xué)和機(jī)械特性

最后，為了在靜脈注射期間提供更好的患者護(hù)理，該研究將薄膜溫度傳感器與剛性溫度敏感型靜脈注射針集成，以方便監(jiān)測(cè)核心體溫或檢測(cè)治療藥物的滲漏。將帶有蛇形結(jié)構(gòu)傳感元件的金薄膜集成在剛性溫度敏感型靜脈注射針針尖附近，以精確捕獲現(xiàn)場(chǎng)溫度。薄膜溫度傳感器的超薄且靈活的結(jié)構(gòu)有助于實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接口。研究結(jié)果表明，具有熱傳感能力的溫度敏感型靜脈注射針可用于輸液過(guò)程中的體溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及治療藥物滲漏的即時(shí)檢測(cè)。

圖3?與溫度傳感器集成的溫度敏感型靜脈注射針的潛在用途

總之，該研究設(shè)計(jì)了剛度可調(diào)的溫度敏感型靜脈注射針，其具有良好的生物力學(xué)兼容性和一次性使用的特性帶來(lái)的安全性。該靜脈注射針可應(yīng)用于許多其他具有臨床意義的環(huán)境。此外，這種靜脈注射針還可以為世界衛(wèi)生組織在全球范圍內(nèi)發(fā)出的防止重復(fù)使用針頭和不安全注射做法的呼吁提供解決方案。

編輯：黃飛

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