一種溫度感應(yīng)型靜脈注射器，在插入時(shí)不可逆地軟化！
靜脈注射針的高度僵硬會(huì)導(dǎo)致組織損傷，并增加通過(guò)意外針頭傳播血液傳播病原體的風(fēng)險(xiǎn)。在這里，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院Jae-Woong Jeong/Won-Il Jeong團(tuán)隊(duì)描述了一種靜脈注射針的發(fā)展和性能，它的硬度和形狀取決于體溫。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)地靈活，適應(yīng)血管的形狀，并減少移除時(shí)針頭損傷的風(fēng)險(xiǎn)。在小鼠身上，這種針頭具有類(lèi)似的液體輸送性能，并且比類(lèi)似尺寸的商業(yè)靜脈注射設(shè)備引起的炎癥要少得多。還表明，集成了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。體溫敏感型靜脈注射可能會(huì)改善患者的護(hù)理。該研究以題為“A temperature-responsive intravenous needle that irreversibly softens on insertion”的論文發(fā)表在《Nature Biomedical Engineering》上。
【P-CARE針的設(shè)計(jì)、材料和操作】
圖1a顯示了P-CARE針的示意圖。針的各種部件可以分成兩部分：(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)可變硬度醫(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和改善患者的福利，可以將薄膜溫度傳感器嵌入針頭中，以監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度。P-CARE針的硬度和形狀可以調(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，針變得柔軟而順從。圖1c顯示了這種剛度調(diào)節(jié)特性，以及即使在柔軟、高度變形的狀態(tài)下也能可靠地輸送流體的能力。
在剛性模式下，針可以刺穿生物軟組織。然后，由于局部組織溫度，針頭變得柔軟，可以動(dòng)態(tài)適應(yīng)組織變形，同時(shí)可靠地輸送液體。同樣的靜脈注射針在使用后是完全柔軟的，使其完全不可重復(fù)使用。靜脈注射針頭的這些進(jìn)展不僅加強(qiáng)了靜脈注射的患者護(hù)理，還降低了通過(guò)意外針頭損傷和不道德的針頭重復(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)。硬質(zhì)P-CARE針可以在室溫下穿透軟組織合成組織，并且針在軟組織體模內(nèi)時(shí)會(huì)變軟(~37°C)。此外，軟化的針能適形地適應(yīng)組織的變形，而不會(huì)有損傷靜脈的風(fēng)險(xiǎn)，這是商業(yè)IV不銹鋼針頭和導(dǎo)管無(wú)法做到的。具有卓越的組織適應(yīng)性的硬度調(diào)節(jié)是P-CARE針的一個(gè)獨(dú)特功能，它克服了傳統(tǒng)靜脈注射進(jìn)入裝置的基本限制，這些裝置具有固有的高和固定的硬度，并且可能導(dǎo)致注射部位的組織損傷，特別是當(dāng)患者移動(dòng)時(shí)，因?yàn)閯傂葬樅蛙浗M織之間的巨大機(jī)械不匹配。
圖1|P-CARE針頭的設(shè)計(jì)和工作原理
【P-CARE針的熱和機(jī)械特性】
了解P-CARE針的熱行為對(duì)于確定設(shè)備的剛度變化特性至關(guān)重要。圖2a-c顯示了P-CARE 針對(duì)模擬生物組織環(huán)境(~37 °C)的溫度的熱響應(yīng)。插入豬肌肉組織模型(~37°C)的最初堅(jiān)硬的 P-CARE針由于鎵結(jié)構(gòu)的液化而變得柔軟。根據(jù)相變圖測(cè)量，當(dāng)P-CARE針暴露在37℃時(shí)，大約需要60秒才能轉(zhuǎn)變?yōu)檐洃B(tài)，相變過(guò)程中體積變化可以忽略不計(jì)。鎵基針的剛性到軟相轉(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P-CARE針的剛度調(diào)節(jié)能力。剛性模式下的P-CARE針具有較高的彎曲剛度，與商業(yè)IV導(dǎo)管，確保軟組織插入。當(dāng)轉(zhuǎn)換為軟模式時(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P-CARE針的組織穿透能力，該研究配制了人造組織模型，以產(chǎn)生靜脈的楊氏模量。圖2h顯示將剛性P-CARE針插入單塊組織體模，表明針在插入期間和縮回后沒(méi)有明顯彎曲。請(qǐng)注意，靜脈的彈性模量與角質(zhì)層下方的生物組織層的彈性模量重疊。該演示表明，剛性針可以刺穿角質(zhì)層下方的靜脈和組織層，而沒(méi)有彎曲的跡象。根據(jù)這些結(jié)果，剛性P-CARE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。
該研究還研究了P-CARE針的整體功能及其在靜脈注射藥物中的潛在用途，該模型使用具有模擬生物組織(約 37 °C)的靜脈孔結(jié)構(gòu)的合成組織模型。在環(huán)境條件下，針頭很硬，可以穿透組織模型，但在插入后會(huì)變軟，同時(shí)輸送液體。軟模式下的同一根針可以動(dòng)態(tài)適應(yīng)組織變形，而不損壞靜脈并持續(xù)輸送液體。
圖2|鎵基P-CARE針的熱學(xué)和機(jī)械特性
【體內(nèi)生物相容性研究】
該研究通過(guò)將樣品裝置植入小鼠右腿肌肉中來(lái)評(píng)估P-CARE針的生物相容性。結(jié)果表明，與不銹鋼針和商用IV導(dǎo)管相比，P-CARE針具有優(yōu)異的生物力學(xué)相容性，因?yàn)檐浕腜-CARE 針能夠適應(yīng)性地與周?chē)M織接觸。此外，P-CARE針能夠減少炎癥與不銹鋼針相比，其損傷程度與商業(yè)IV導(dǎo)管相當(dāng)?？傮w而言，這些結(jié)果表明，與同等尺寸的商用靜脈注射裝置相比，P-CARE針具有增強(qiáng)的生物相容性。
圖3|P-CARE針頭在小鼠體內(nèi)生物相容性的體內(nèi)評(píng)估
【液體輸送的體內(nèi)評(píng)估】
為了評(píng)估P-CARE針在體內(nèi)的插入和液體輸送性能，在小鼠身上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。簡(jiǎn)而言之，在通過(guò)剖腹手術(shù)暴露肝臟之前將小鼠麻醉，然后將針插入下腔靜脈。證明了P-CARE針能夠在小鼠體內(nèi)使用原位封閉肝臟灌注來(lái)刺穿軟組織并在體內(nèi)注入液體。為了進(jìn)一步驗(yàn)證P-CARE針的液體或試劑輸送功能，評(píng)估了原位封閉肝臟灌注回路中對(duì)乙醇給藥的反應(yīng)。顯示了P-CARE針與商業(yè)IV導(dǎo)管類(lèi)似的良好的液體輸送功能，因?yàn)榕c注射乙醇類(lèi)似，小鼠肝組織中代謝酶細(xì)胞色素P450 2E1 (CYP2E1)的mRNA 水平增加。小鼠肝組織H&E和CYP2E1 染色切片的圖像證實(shí)了P-CARE針與商業(yè)IV導(dǎo)管作為小脂滴(H&E染色)具有同等的生物相容性液體輸送能力。這些結(jié)果驗(yàn)證了P-CARE針的體內(nèi)液體輸送能力與商業(yè)IV導(dǎo)管相當(dāng)。
圖4|P-CARE針頭與商用靜脈導(dǎo)管的體內(nèi)液體輸送效果
【靜脈注射期間潛在的現(xiàn)場(chǎng)溫度傳感】
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P-CARE針集成，以方便監(jiān)測(cè)核心體溫或檢測(cè)治療藥物滲漏到皮下組織中。帶有蛇形結(jié)構(gòu)傳感元件的金薄膜戰(zhàn)略性地位于剛性P-CARE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)有助于在商用溫度傳感器不適合的關(guān)鍵位置實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接口。研究結(jié)果表明，具有熱傳感能力的P-CARE針可用于監(jiān)測(cè)輸液過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)溫度，有可能用于監(jiān)測(cè)核心體溫或治療藥物滲漏到皮下組織中。
圖5|與溫度傳感器集成的P-CARE針的潛在用途
【小結(jié)】
總之，該研究描述了設(shè)計(jì)剛度可調(diào)的智能針和醫(yī)療工具的基礎(chǔ)知識(shí)，這些工具可提供增強(qiáng)的生物力學(xué)兼容性和使用后的安全處理功能。該裝置可應(yīng)用于許多其他具有臨床意義的環(huán)境。此外，它們還可以為世界衛(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。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41551-023-01116-z
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