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Nature子刊：这个“一摸就软”的货，也是注射针头

时间：2023-11-09 来源： 浏览：

Nature子刊：这个“一摸就软”的货，也是注射针头

原创 甘棠 X-MOL资讯
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注射器寒光闪闪的不锈钢针头，是很多人的童年噩梦，严重一些的甚至会“晕针”。

图片来源于网络
针头够硬够锋利，才能迅速、顺利的刺入皮肤和血管，使得抽血检查以及静脉注射之类的医疗手段能够继续。但这也带来了一些问题。不锈钢等针头材料与人体组织机械性质差距过大，会造成组织损伤，因此在长时间的静脉注射过程中，病人需保持相对静止的状态以避免针头移动造成血管损伤及注射失败。即便如此，静脉注射过程无意间刺破血管的案例也相当常见。此外，医生和护士在为血液传播疾病（例如艾滋病、乙型肝炎、丙型肝炎等）的患者注射治疗之后，如果发生意外刺伤事件，会大大增加感染病毒的可能性。2015年，世界卫生组织推出了一项关于安全注射政策，鼓励医疗机构和从业者采用具有防止重复使用功能的“智能”注射器。此前，全球因医疗器械相关重复使用（例如药物滥用者共用注射器）而导致的致命传染病数量大幅增加。作为应对措施，一些制造商开发了具有内置安全机制的注射针头，以保护医务工作者免受意外刺伤并防止注射器的重复使用。这些改进对于每年全球巨大的注射器使用量来说还是远远不够的。
近日， 韩国科学技术院 （KAIST） Jae-Woong Jeong、Won-Il Jeong 等研究者在 Nature Biomedical Engineering 杂志发表论文，报道了一种 能够变形且不可重复使用的静脉注射针头（phase-convertible, adapting and non-reusable, P-CARE），其刚度和形状取决于体温。这种P-CARE针头在环境温度下具有足够的硬度，但在刺入软组织后会不可逆地变软，适应血管的形状，降低针刺损伤的风险并彻底杜绝重复使用的可能。 在动物实验中，与类似大小的商业静脉注射装置相比，P-CARE针头具有类似的输液性能，并且引起的炎症要少得多。

图1. P-CARE针头的设计和工作原理。图片来源： Nat. Biomed. Eng.
P-CARE针头可分为两个部分（图1a）：由金属镓制成的矩形中空针头框架（灰色，用于保持针头的刚度）和具有优异撕裂强度的硅酮超软包封层（红色）。镓具有固液相变性质，熔点低至29.76 ℃，而且生物相容性良好。在室温下，镓能保证针头足够硬以刺穿柔软的生物组织；当暴露在体温下时，包裹在超软聚合物中的镓会融化，针头整体不可逆变软，适应组织形状，但不影响输液性能（图1b-d）。为了增加功能，可以将薄膜温度传感器（如图1a所示）嵌入针头中以监测温度。P-CARE针头与医院常用的现有商业静脉注射装置的比较如图1e所示。为了确定P-CARE针头的刚度变化和组织适应能力，作者使用了透明的软组织模型（模量为415 kPa，模拟静脉的性质）进行了测试，模拟静脉结构直径约5 mm（图1f）。他们发现，在室温下刚性P-CARE针头可以像商业静脉注射装置一样穿透柔软的合成组织，并且在~37°C软组织模型内变软，软化后的P-CARE针头适应了组织的变形，没有损伤静脉的风险。这是商业静脉注射装置所不能做到的。

图2. 镓基P-CARE针头的热学和力学性质研究。图片来源： Nat. Biomed. Eng.
作者还通过实验和仿真研究探索了P-CARE针头的热学及力学性质（图2）。镓的相变过程分为三个不同的阶段：阶段1-2（固相）、阶段2-3（固液转变）和阶段3-4（液相）。根据相变图，P-CARE针头在37 ℃的温度下转变为柔性态大约需要60 s，相变过程中体积变化可以忽略不计。通过减小镓和聚合物包封剂的厚度，可以调节镓基针从硬到软的相变时间。有的读者可能会担心这种P-CARE针头在夏天或者热带地区无法使用，作者也考虑到了这个问题，他们建议P-CARE针头在医院外使用以及在较高温度下运输时，应该使用可重复使用的冰袋将其小心包装在隔热良好的盒子中来保证其刚性和形状的完整性。他们的测试表明，P-CARE针头在炎热天气 可 储存在保温盒内超过10小时而不变软，在室外（35 ℃）有约30分钟的使用窗口，以便专业医护人员使用。

图3. P-CARE针头在实验动物体内测试其生物相容性。图片来源： Nat. Biomed. Eng.
作者还在实验动物中研究了P-CARE针头的生物相容性和体内液体输送能力。从实验结果来看，P-CARE针头与商业静脉注射装置相比，植入区周围的炎症更少，肌肉损伤更轻，具有更高的生物相容性，而且液体输送能力相当。此外，内嵌薄膜温度传感器的P-CARE针头中可用于输液过程中的现场温度监测，在监测核心体温或治疗药物渗入皮下组织方面具有潜在应用。
小结
这种基于金属镓的新型智能静脉注射针头在室温下具有足够的刚性，可以刺穿组织，随后在人体温下迅速不可逆 地 软化，适应静脉的形状，减少输液过程中及拔针时潜在的针刺损伤，并防止针头被有意地重复使用。此外，这种智能静脉注射针头的液体输送能力与商用装置相当，即便在软化后仍然可以可靠地输送液体。 如果能降低成本，这款P-CARE针头毫无疑问会有非常光明的应用前景。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
A temperature-responsive intravenous needle that irreversibly softens on insertion
Karen-Christian Agno, Keungmo Yang, Sang-Hyuk Byun, Subin Oh, Simok Lee, Heesoo Kim, Kyurae Kim, Sungwoo Cho, Won-Il Jeong & Jae-Woong Jeong 
Nat. Biomed. Eng ., 2023 , DOI: 10.1038/s41551-023-01116-z
（本文由 甘棠 供稿）

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