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吴承伟 博士,大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室教授

蚊子口针是天然的无痛微针,几乎“无肤不摧”,而且从没发生过任何强度问题。


    儿童医院的检验科和注射室常常哭声不断,亮晶晶的针头是孩子们的梦魇。成年人虽然不至于哭出来,但很多时候,如糖尿病患者,频繁挨针也是一件痛苦的事情。
   
    人类能否摆脱对针刺的恐惧?
   
    血糖仪制造商把针越做越细。去年,LifeScan曾推出一款全新的采血针,比之前业界通用的针尖细了40%。这一产品引起轰动。
   
    但是,它离完美还很远。
   
    在这方面,大自然已经造就了一个完美的典范——蚊子的口针,人类正在想尽办法去模仿。
   
    真正的无痛针头
   
    无痛吸血,只有蚊子能做到。
   
    首先要说明的是,被蚊子叮咬之后感觉痛痒,其实是因为蚊子向人体传输的有毒唾液引起皮肤发炎。有人认为这些唾液的主要作用是防止血液在蚊子口针中凝固,以便顺利完成吸血过程。但实际上,把该唾液管切断后,蚊子照样能顺利完成刺入与吸血的过程。所以,蚊子的“针”功夫是真功夫。
   
    我们先研究一下蚊子口针刺入皮肤时最关键的两个部件:上唇和下颚。上唇尖端部位很尖,曲率半径约为100~200纳米,远小于常规金属材料的晶粒尺寸(例如工业纯铁晶粒尺寸为1~100微米),这么小的“针尖”用普通金属材料是很难制作的(普通缝衣针的针尖曲率半径约为100微米)。
   
    蚊子的下颚尖端也十分锋利,曲率半径约为几百个纳米。有趣的是,它下颚的外侧和内侧均长着一排微小而精致的锯齿状结构(见图),这些锯齿的齿尖更为锋利,曲率半径约为50~150微米。一般来说,蚊子种类不同,下颚尖端处的锯齿数目也会不同。那些长着14个以下锯齿的蚊子主要以人类血液为吸食对象,锯齿数目更多些的则主要吸食家畜的血液。微纳锯齿数目越多,刺入皮肤能力越强。
   
    我们用纳米压痕技术测量了蚊子上唇与下颚的力学性质,结果发现:其弹性模量与聚合物材料相当,表面硬度则可媲美金属材料,并且越接近尖端表面硬度越高。正是这个内柔外刚的力学性质使得蚊子口针不但能轻易刺入皮肤,还可以在皮下自由弯曲以寻找毛细血管。
   
    用高速摄像机观察发现,蚊子口针刺入皮肤的过程并不是简单刺入。
   
    刺破前蚊子会将其口器绷直,快速地刺向皮肤。这是一个动态冲击的过程:上唇尖端首先刺破皮肤表面,此后,随着刺入深度的增加,伴有周期性的振动,从而驱动带有微纳锯齿的下颚锯开皮肤。在振动刺入初始阶段,蚊子头部振动频率较高,约为10~15赫兹;在中间刺入阶段,振动频率逐渐降为6~8赫兹;振动末期阶段振动频率仅为3~5赫兹左右。
   
    我们自己设计了一个专用高精度试验系统,实测出蚊子口针刺入皮肤的平均刺入力为16.5微牛,与蚊子的体重相当。这个刺入力比目前世界上报道的人造微针的最小刺入力(约为10毫牛)小3个数量级,比普通注射器针头的刺入力(最高达十几牛顿)小6个数量级。
   
    被这样特殊的针以不同的力刺入,人的感觉能没有差异吗?
   
    此外,更令人吃惊的是,蚊子在进一步刺入皮肤过程中,口针对皮肤的作用力比这个刺入力值还要小很多。这使得人体毫无察觉。而且,由于蚊子口针很细,刺破神经的概率很小。这便是蚊子“无痛吸血”的主要原因,也是蚊子每次都能安全地刺入皮肤而从不发生任何强度问题的主要原因之一。
   
    口针刺入皮肤时超级省力的奥秘在于采用了一对微纳锯齿振动切开并刺入皮肤深层,有点像生活中使用的冲击钻。如果我们用一只带有完整口器的蚊子,人工将口器直接刺入皮肤,不但不会成功,口器还会发生屈曲,甚至折断。
   
    做大自然谦恭的模仿者
   
    目前关于微针的设计和制造已经引起了越来越多的关注。
   
    微针技术是药物输送或者血液采样的一次技术飞跃,特别对于儿童和糖尿病患者是一个巨大的福音。微针经皮给药技术作为一种全新的药物传送方法,无不良反应,传送速度快,可实现精确给药。它既克服了透皮释药贴片技术不能输送大分子药物的缺点,又消除了普通注射针容易造成皮肤损伤、感染、痛疼等副作用。
   
    受蚊子“无痛吸血”功能的启发,日本科学家模仿蚊子口器开发出极细的注射针头,其直径仅为60微米,将多个这样的微针阵列排布,可以实现药物的快速输送。试验证实,这种针头注射时几乎没有疼痛感,而药液仍能畅通无阻地被注射入人体。
   
    加拿大卡尔加里大学的研究人员根据蚊子吸血原理设计了一只用于血糖监测的电子蚊,利用这只电子蚊模拟实体蚊子的吸血过程,可以刺入人体并抽取血液。
   
    严格说来,这些人造微针属于微痛微针,还不能达到像蚊子口针那样无痛刺入。而且,由于人造微针是直接刺入皮肤,刺入力比蚊子口针大3个数量级,在刺入皮肤过程中容易发生屈曲和断裂,目前还没有实现大规模临床应用。
   
    不过,随着蚊子口针刺入人体皮肤超级省力的科学原理被揭开以后,人造微针越来越完善。
   
    最近Sensors and Actuators杂志报道了日本关西大学科学家的新成果。研究者设计制造出模仿蚊子上唇的微针以及依靠压电材料驱动的带微锯齿的一对下颚,用来模仿蚊子刺破皮肤时的振动刺入过程。但是,下颚微纳锯齿的精致度无法跟蚊子媲美。
   
    应该说,无论在针尖尖度、几何形状和刺入方式等方面,蚊子口针都为人造微针设计提供了重要启发。蚊子上唇吸管的针尖内弯接近于吸管的中心线,这个大自然的优化设计比所有普通针头和微针设计高明得多。刺入皮肤时由于力作用点在吸管中线上,因而不容易发生弯曲破坏。
   
    在微针材料方面,我们要向蚊子学习的也很多。目前研究出来的微针主要采用以下三种材料:硅、聚合物和金属材料。硅加工工艺成熟,但属于脆性材料,使用过程中容易断裂;聚合物韧性好,但使用过程中针尖容易屈曲破坏;金属微针制造成本较高,并且容易氧化污染。蚊子口针材料的内柔外刚以及硬度呈梯度分布的独特力学性质将为我们提供全新思路。
   
    蚊子口针刺入皮肤的力学机理还可能在现代微创外科手术中获得应用。比如,医生做神经、血管或者耳鼻喉等空间狭小的微型手术时,需要各种各样的微型手术刀,将手术点精准切开。他们需要对微型刀加力:用力太小,手术点切不开;用力过大,被切割目标又容易移动或发生不必要的损伤。最理想的微型手术刀是用力小并能够将手术目标在准确位置精准切开。
   
    我们的研究团队根据蚊子下颚微纳锯齿刺切皮肤超级省力的力学原理,设计制造了一种带微纳锯齿的振动切割微型手术刀。试验表明,该手术刀切割皮肤的切割力仅仅为无振动的无齿手术刀的5%。该项仿生设计已获国家发明专利,目前正在寻找合作厂商进行小批量生产。同时,我们也在研发振动刺入无痛微针相关技术。
   
    值得一提的是,在蚊子口针仿生原理方面,我们已经比较清楚,难点在于微纳制造技术以及降低成本。而一项高新技术要投放市场并被用户接受,需要经过技术发明者与企业长期的密切合作才能最后完成。比如,美国的社会环境就非常有利于先进的仿生技术的推广和应用,一些高新技术企业很注重新技术、新工艺的尝试。我国企业的经营意识目前也在不断改变,我们对于蚊子口针仿生产品的未来非常有信心。

 

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