防沾黏的仿生豬籠草微創手術電刀表面「LIS」

 
2017/02/10 賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
國立臺灣博物館 | 歐陽盛芝
仿生翼狀豬籠草的注液表面LIS應用於微創手術電刀表面,可防軟組織沾黏、節省手術時間及減少副作用(繪製者:王美乃)。 翼狀豬籠草(Nepenthes alata)捕蟲籠唇部的微觀結構和液體移動機制啟發應用於醫療器械的LIS(圖片來源:林士傑)。
  • 仿生翼狀豬籠草的注液表面LIS應用於微創手術電刀表面,可防軟組織沾黏、節省手術時間及減少副作用(繪製者:王美乃)。
  • 翼狀豬籠草(Nepenthes alata)捕蟲籠唇部的微觀結構和液體移動機制啟發應用於醫療器械的LIS(圖片來源:林士傑)。
 
微創手術(minimally invasive surgery)有傷口較小、疼痛度及出血量減少、康復時間縮短等優點,近年來已日趨普及,使用的最主要醫療器材之一就是材質為不鏽鋼的手術電刀,雖然採用多種方式避免黏刀,但仍存在一些無法克服的缺點。北京航空航天大學張德遠和陳華偉教授領導的研究團隊,2016年6月於《應用表面科學》(Applied Surface Science)期刊發表一款仿生豬籠草捕蟲籠唇部表面的「注液表面」(liquid-infused surfaces,簡稱LIS)結構,優異的抗黏附穩定性可在手術刀具上加工,讓微創手術更安全,真正達成手術過程中防止軟組織黏連的功效,減輕沾黏引起的額外損傷,節省手術時間也提升效能。

微創手術用的電刀又稱為「載能微創手術刀具」,有單極電刀、雙極電凝鉗、電筆、超聲刀等,在接觸部位實施凝血和組織切割等動作,由於刀頭尖端會產生高頻高壓電流,容易導致軟組織或器官燒燙傷及形成焦痂,被撕裂沾黏在器械表面,導致止血失敗或損傷周圍的軟組織,甚至影響功能而阻礙手術進行,據統計微創手術事故有80%屬於此類損傷。因此手術期間在切割幾次後,必須擦拭刀具、或以超音波清洗黏附的軟組織和焦痂,不僅延長手術時間、也影響精準性。目前電刀防黏方法包括添加藥劑、噴灑冷卻水,或塗覆金屬塗層、合成聚合物薄膜、金屬聚合物複合塗層阻隔等,但效果不一,並且有些方式會產生軟組織燒傷或釋放有毒氣體等問題,或者因金銀等貴金屬成本高昂難以普及應用。

LIS是以光刻輔助化學蝕刻方法在微創手術的電刀表面製造粗糙紋理化表面,注入矽油液體形成液膜製成,低揮發性(運動黏度為1,000 cst,在300℃下其揮發幾可忽略)並具生物相容性的矽油液膜既可耐高溫、也不怕刮傷摩擦,利用微奈米結構表面作用力吸引液體潤濕手術刀具表面具自癒作用,能迅速穩定維持液膜的完整性及濕潤性,保持疏水性和防黏能力的持續性,還能運用單向移動的「液膜」原理實現潤滑與隔離,隨時將接觸區的軟組織輸送到邊緣,或在超音波清洗中脫落。經證實LIS在250℃高溫下對軟組織黏附力較傳統電刀光滑表面約降低80%、黏附質量最小化並減少約89%,且不會產生有毒氣體,極易清洗,對於生物淤積、冰、霜凍、其他液體等亦具抗黏附能力,可供新一代的電刀和其他醫療器械防黏使用。

超濕滑注液表面LIS的研發靈感來自翼狀豬籠草(Nepenthes alata),其捕蟲籠唇部表面具有多級棱槽結構,能讓雨水、露水或蜜汁等液體從捕蟲籠蒸發凝結在唇部內緣,然後連續定向搬運分散至唇部表面保持濕滑,當昆蟲被引誘到唇部表面時,極易滑倒掉落捕蟲籠內。研究團隊根據這種能克服地心引力、沿著單一方向從低處往高處快速流動的現象,探討唇部的微觀結構特徵和液體移動機制,因此已開發出可應用於新型定向流體運輸系統的仿生豬籠草人造薄膜,這款新型注液表面則專用於醫療器械方面。

先製造固體基材不鏽鋼圓形柱狀突起薄膜,蝕刻深度約為5.08μm的表面紋理,然後塗覆有超疏水性「自組裝單分子膜」(self-assembled monolayers,簡稱SAMs)十八烷基三氯矽烷(Octadecyltrichlorosilane,簡稱OTS),再浸塗約20μLcm-2的矽油,透過毛細管力產生注液表面,最後垂直放置5小時排出過量液體即可製成LIS。

經測試4種不同尺寸圓柱直徑與距離的表面紋理差異,結果在各種溫度下,無論未注液的乾燥情況或已注液的濕潤狀態,均以表面紋理圓柱直徑131.5±2.9μm,圓柱間距離95.8 ± 2.3μm,蝕刻深度4.91 ± 0.31μm的抗黏附效果表現最佳。試驗得知水滴在乾燥表面上的接觸角為69.5°±1.2°,添加矽油的濕潤表面即增加至89.6°±1.1°;當傾斜至90°時水滴仍能固定在乾燥表面上,但傾斜到約2°時,水滴卻在注液的濕潤表面滑動,證明濕潤性可增加表面的疏水性。而在250℃的高溫時,10μL的水滴在注液表面約78微秒(microsecond=10-6秒,簡稱ms)後沸騰,並開始在水滴位置周圍滾動到約1.2秒時滾落,表面幾乎無殘留,證明在高溫下仍具有優異的抗濕性能。當在5牛頓(Newton,使質量1公斤物體的加速度為1 m/s2所需的力,簡稱N)應力下,乾燥光滑表面的黏附力隨溫度的升高而顯著增加,有矽油的濕潤光滑表面黏附力僅從0.19N增加到0.61N,也證明潤滑注液在軟組織和不鏽鋼間可形成液體屏障,即使高溫下也能降低軟組織在不鏽鋼表面的黏附力。

研究團隊於2014年12月使用初期試驗成果,已為北京航空航天大學申請到這款「載能微創手術刀具表面自潤滑防黏的結構」的專利,就是在手術刀具上加工,利用微奈米結構表面作用力吸引液體潤濕手術刀具表面,以液膜實現潤滑與隔離,達到載能刀具手術過程中防止軟組織黏連的方法,加上現階段完成的LIS研究成效,未來將建立產業基地生產應用。

(以上新聞編譯自2016年6月1日發行之Applied Surface Science期刊)
(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
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  • 標籤
     
  • 來源:Zhang, P., H. Chen., L. Zhang, and D. Zhang. 2016. Anti-adhesion effects of liquid-infused textured surfaces on high-temperature stainless steel for soft tissue. Applied Surface Science, 385(2016): 249-256.
     
  • 延伸閱讀:
     
    • 張德遠、陳華偉、張鵬飛、張力文(2014)一種載能微創手術刀具表面自潤滑防黏的結構,北京航空航太大學,專利CN 104188719A。
    • 臺大醫院醫學工程部(2016)淺談電刀,臺大醫院/醫療儀器,
    • Chen, H. W., P. F. Zhang, L. W. Zhang, H. L. Liu, Y. Jiang, D. Y. Zhang, Z. W. Han, and L. Jiang. 2016. Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata. Nature, 532(7597): 85-89 (+ 11pp. Supplementary Information).
     
 
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