張穎

江西理工大學(xué) （江西贛州 341000）

近年來，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，人們對醫(yī)療保健的意識逐漸增強，我國醫(yī)療公共衛(wèi)生事業(yè)也取得了長足的發(fā)展，因此對于醫(yī)療器械的需求也在不斷地攀升[1]。醫(yī)療器械種類繁多，且大多價格昂貴，如何在滿足功能需求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)長壽命、高效率、高精度、人性化和經(jīng)濟化等需求，是醫(yī)療器械開發(fā)者面臨的一大難題[2]。

歷經(jīng)千百萬年的進化，大自然呈現(xiàn)出豐富的生物多樣性，在人類探索自然的過程中，基于生物體樣本的特征研究、并從中汲取設(shè)計靈感、從而實現(xiàn)生物體樣本“特殊功能”的人工復(fù)制是一項重要的活動內(nèi)容，這一活動內(nèi)容被定義為“仿生設(shè)計”，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展起一門新興的邊緣學(xué)科——仿生設(shè)計學(xué)[3]。目前，仿生設(shè)計學(xué)已經(jīng)擴展到許多領(lǐng)域，并在這些領(lǐng)域中得到推動和發(fā)展。仿生設(shè)計學(xué)思想也給醫(yī)療器械的設(shè)計開發(fā)提供了新的思路，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開啟了相關(guān)的應(yīng)用研究。

1 仿生設(shè)計學(xué)思想在醫(yī)療器械中的具體應(yīng)用

1.1 仿生手術(shù)夾鉗

手術(shù)夾鉗是外科手術(shù)中常見的醫(yī)療器械，操作對象主要包括人體組織、器官等，這些生物組織一般較為柔軟，且表面常覆蓋有一層濕滑的組織液，使手術(shù)夾鉗在操作過程中極易發(fā)生打滑。為使手術(shù)夾鉗可靠夾持生物組織，其表面多采用尖銳齒形結(jié)構(gòu)，通過齒形結(jié)構(gòu)受力后咬合、嵌入組織表面，達到機械互鎖、提升摩擦的目的。但該方式極易引起組織創(chuàng)傷、撕裂出血，引發(fā)嚴(yán)重的并發(fā)癥和后遺癥[4]。因此，為降低生物組織夾持損傷，有必要開發(fā)設(shè)計低夾持力、強摩擦的手術(shù)夾鉗，從而達到“松夾而不打滑”的效果。

生活在熱帶雨林中的樹蛙，能夠在濕滑的植被表面自由穿梭，并靈活地行走在水中的巖壁上，表現(xiàn)出優(yōu)異的攀附性能。通過觀察發(fā)現(xiàn)，其腳掌表皮上分布著多邊形棱柱狀的微凸起結(jié)構(gòu)，直徑約為10 μm，周圍布滿了貫通的溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽寬度約1 μm[5]，如圖1所示。

圖1 樹蛙腳掌表皮上多邊形棱柱狀的微凸起結(jié)構(gòu)

樹蛙腳掌微觀形貌特征對于高摩擦特性表面的工程設(shè)計具有重要的啟示意義，是手術(shù)夾鉗表面進行“增摩防滑”設(shè)計的理想仿生對象。受此啟發(fā)，北京航空航天大學(xué)陳華偉教授團隊設(shè)計開發(fā)了仿生手術(shù)夾鉗，利用數(shù)控電化學(xué)腐蝕加工技術(shù)在夾鉗表面制備了仿樹蛙腳掌的密排六棱柱凸起結(jié)構(gòu)[6]，如圖2（a）所示。

通過夾持對比試驗發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)手術(shù)夾鉗由于其較大的尖齒結(jié)構(gòu)，夾持過程中容易形成較大的生物組織變形，如圖2（b）所示，而仿生手術(shù)夾鉗表面由于其溝槽窄而淺，對生物組織產(chǎn)生的變形也會降低很多，如圖2（c）所示。測量數(shù)據(jù)顯示，生物組織變形量隨著夾持力的增加而逐漸升高，當(dāng)夾持力達到10 N 時，仿生手術(shù)夾鉗導(dǎo)致的變形量約為30 μm，約為傳統(tǒng)齒形夾鉗的1/10?？梢?，仿生手術(shù)夾鉗表面對生物組織的夾持損傷要遠小于傳統(tǒng)齒形表面[6]。

圖2 仿生手術(shù)夾鉗及其效果圖

1.2 仿生人工關(guān)節(jié)

人工關(guān)節(jié)置換術(shù)是矯形外科發(fā)展史上重要的里程碑，通過外科技術(shù)將人工關(guān)節(jié)植入患者體內(nèi)，替代患病關(guān)節(jié)功能，緩解關(guān)節(jié)疼痛，從而改善關(guān)節(jié)活動、提高患者生命質(zhì)量。目前，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)已被廣泛用于臨床，而人工關(guān)節(jié)存在著巨大的潛在市場需求?，F(xiàn)階段，如何提高人工關(guān)節(jié)使用壽命、減少術(shù)后并發(fā)癥，是臨床醫(yī)護人員、手術(shù)患者和研究制造人員共同面臨的一大難題。

以往的研究主要集中于人工關(guān)節(jié)感染性或無菌性松動。而越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，由于人工關(guān)節(jié)時刻處于摩擦狀態(tài)，而摩擦容易造成大量磨屑，磨屑與巨噬細胞反應(yīng)會引起骨溶解，因此，對于臨床應(yīng)用的人工關(guān)節(jié)來說，除了患者個體差異因素和手術(shù)因素，其摩擦學(xué)性能是決定其使用壽命的關(guān)鍵因素[7]。

研究者們試圖從自然關(guān)節(jié)上得到改善人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)性能的啟發(fā)。人體自然關(guān)節(jié)由關(guān)節(jié)軟骨、關(guān)節(jié)囊和關(guān)節(jié)液三部分組成。研究者們利用掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）對關(guān)節(jié)軟骨表面進行觀測，發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨表面并非光滑，其表面分布著直徑20～30 μm、深度幾個微米的圓形或橢圓形凹陷[8]，圖3為關(guān)節(jié)軟骨表面SEM 照片。

圖3 人體自然關(guān)節(jié)軟骨表面的SEM 形貌

受此啟發(fā)，北海道大學(xué)的研究人員采用放電刻蝕法在鈷鉻合金股骨頭假體表面上刻蝕了微凹坑結(jié)構(gòu)，制備出了仿生人工關(guān)節(jié)，其表面的微凹坑直徑、間距和深度分別為0.5 mm、1.2 mm 和0.1 mm[9]，如圖4所示。通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，在模擬人體自然關(guān)節(jié)受力運動的情況下，仿生人工關(guān)節(jié)的摩擦系數(shù)明顯低于傳統(tǒng)人工關(guān)節(jié)，摩擦系數(shù)的降低率高達36.2%，實驗后仿生人工關(guān)節(jié)和傳統(tǒng)人工關(guān)節(jié)的磨損質(zhì)量分別為0.7 mg 和1.1 mg，仿生人工關(guān)節(jié)的磨損降低了36%。

圖4 仿生人工關(guān)節(jié)

研究人員認為，仿生人工關(guān)節(jié)優(yōu)越的摩擦學(xué)性能可能是源于關(guān)節(jié)表面的這種微米級凹坑結(jié)構(gòu)；微凹坑結(jié)構(gòu)起到了存儲潤滑液的作用。當(dāng)仿生人工關(guān)節(jié)受到壓力、產(chǎn)生變形時，其內(nèi)部儲存的潤滑液被擠出，從而促使摩擦面產(chǎn)生所謂的流體潤滑。通過對比潤滑油膜厚度與仿生人工關(guān)節(jié)表面粗糙度、滑動速度以及載荷之間關(guān)系，發(fā)現(xiàn)仿生人工關(guān)節(jié)之間存在的這種擠壓膜是影響自然關(guān)節(jié)潤滑效果的重要因素。

1.3 仿生醫(yī)用針頭

肌內(nèi)注射是一種常見的醫(yī)療手段，通過醫(yī)用針頭刺破人體表皮，將藥物送入皮下組織。由于人體皮膚內(nèi)分布著大量的感覺神經(jīng)末梢，在肌內(nèi)注射過程中容易產(chǎn)生疼痛感，從而使患者對肌內(nèi)注射產(chǎn)生恐懼，調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，在發(fā)達國家，8.1%的成人和20%以上的兒童對肌內(nèi)注射有嚴(yán)重的恐懼感[10]。消除或減緩醫(yī)用針頭帶來的疼痛感對于減輕患者生理上的痛苦和心理上的恐懼具有重要意義。

生活經(jīng)驗告訴我們，人們往往不易發(fā)覺被蚊子叮咬時的疼痛，吉林大學(xué)的研究人員對蚊子口器進行了細微的觀測，發(fā)現(xiàn)其刺吸式口器的上顎表面具有非光滑形態(tài)[11]，如圖5所示，這種非光滑的結(jié)構(gòu)形態(tài)減小了口器與皮下組織的接觸面積，降低了界面間的摩擦，減少了對感覺神經(jīng)末梢的刺激，使疼痛降低到人體難以察覺的程度。

圖5 蚊子口器上顎非光滑的結(jié)構(gòu)形態(tài)

受此啟發(fā)，研究人員利用先進制造技術(shù)成功制備了仿生醫(yī)用針頭[12]，如圖6所示，大量試驗證明，與傳統(tǒng)醫(yī)用針頭相比，仿生醫(yī)用針頭能有效減小針體刺入皮膚組織的注射阻力，且注射藥物量、治療效果、使用方法與傳統(tǒng)醫(yī)用針頭無異。此類注射器結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝不復(fù)雜，效果較為理想，從市場角度來看更適合大范圍推廣使用。

圖6 仿生醫(yī)用針頭

2 仿生設(shè)計學(xué)在醫(yī)療器械中的應(yīng)用前景

師法自然，仿生思想是一種新興的設(shè)計理念，仿生設(shè)計是連接人與自然的橋梁，大自然是人們用之不盡、取之不竭的靈感來源。仿生設(shè)計學(xué)思想為醫(yī)療器械的產(chǎn)品設(shè)計注入了新的活力，使醫(yī)療器械更加尊重自然客觀規(guī)律，更加注重產(chǎn)品的人性化設(shè)計，給予醫(yī)護人員和患者更多的人文關(guān)懷。同時，醫(yī)療器械的仿生設(shè)計又是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要開發(fā)者對仿生對象以及設(shè)計對象均具備充分的了解，涉及多學(xué)科的交叉，具有一定的難度。未來醫(yī)療器械的仿生研制，一方面，仍需要在自然界中獲取更為理想的仿生原型，研究其生物體結(jié)構(gòu)和功能特征，獲取構(gòu)建仿生設(shè)計的新原理；另一方面，要重視各種微細制造技術(shù)、先進加工技術(shù)在仿生器械制備中的應(yīng)用，研究其加工工藝，以提高仿生器械產(chǎn)品的制造精度?？傊?，仿生設(shè)計在醫(yī)療器械中顯示出巨大的發(fā)展前景，相關(guān)業(yè)界要重視仿生設(shè)計學(xué)思想在醫(yī)療器械開發(fā)中的應(yīng)用。