剛度可調的溫度敏感型靜脈注射針設計

傳統靜脈注射針的剛性特征會導致組織損傷，并增加通過針頭傳播病原體的風險。為解決以上問題，韓國科學技術院Jae-Woong Jeong/Won-Il Jeong團隊設計了一種靜脈注射針，其剛度和形狀取決于體溫。這種注射針的針頭足夠硬，可以插入軟組織，但插入后會變得不可逆轉地軟化，以適應血管的形狀，并減少移除時針頭損傷的風險。此外，集成薄膜溫度傳感器的靜脈注射針可以監測小鼠的核心體溫，并在體外檢測豬組織的液體滲漏。該研究近期以“A temperature-responsive intravenous needle that irreversibly softens on insertion”為題發表在Nature Biomedical Engineering期刊上。

圖1a顯示了溫度敏感型靜脈注射針的示意圖。這種靜脈注射針主要包括兩個部分：（1）矩形針框，和（2）軟聚合物封裝。針框由鎵制成兩種U型槽結構；每個框的上、側壁厚度分別為0.20 mm和0.10 mm。外U型槽框架放置在內U型槽平臺上，將其兩側壁圍成一個封閉的矩形中空結構，然后使用具有優異撕裂強度的有機硅進行封裝。鎵是開發可變剛度醫用針的最佳材料，因為它在固體和液體之間具有相轉換性、低玻璃化溫度和生物相容性。為了增加更多的功能，可以將薄膜溫度傳感器嵌入針頭中，以實現體溫的實時監測。 這種溫度敏感型靜脈注射針的剛度和形狀可以調整。

針在室溫下堅硬而筆直，就像傳統的醫用針一樣，但當施加~ 30°C或更高的溫度時，由于封裝的鎵框架的液化，針變得柔軟。圖1c顯示了這種靜脈注射針的剛度調節特性，以及其即使在柔軟、高度變形的狀態下也能可靠地輸送流體的能力。此外，靜脈注射針在使用后是完全軟化的，使其完全不可重復使用。因此，這種靜脈注射的特性不僅加強了靜脈注射時患者的舒適度和依從性，還降低了通過意外針頭損傷和針頭重復使用在患者和醫護人員中傳播致命血液傳播病原體的潛在風險。

圖1?溫度敏感型靜脈注射針針頭的設計和工作原理

了解溫度敏感型靜脈注射針的熱行為對于確定其剛度變化特性至關重要。圖2a ~ 2c顯示了溫度敏感型靜脈注射針對模擬生物組織環境（~ 37°C）的溫度的熱響應。根據相變圖，當溫度敏感型靜脈注射針暴露在37℃時，大約需要60秒才能轉變為柔軟狀態，相變過程中體積變化可以忽略不計。鎵基針的剛性到柔軟狀態的相轉變時間可以通過減少鎵和聚合物密封劑的厚度來改善。 圖2d顯示了溫度敏感型靜脈注射針的剛度調節能力。剛性模式下的溫度敏感型靜脈注射針具有較高的彎曲剛度，可以確保軟組織插入。當轉換為柔軟狀態時，剛度顯著降低，促進動態變形，從而消除血管壁機械損壞的風險。

為了進一步確定剛性溫度敏感型靜脈注射針的組織穿透能力，該研究利用人造組織模型進行了研究。研究結果表明，溫度敏感型靜脈注射針的抗壓強度可以克服穿刺皮膚所需的應力，等效皮膚穿刺力為1 N。此外，鎵基針頭封裝材料的選擇對于安全、剛性插入起著至關重要的作用。

圖2 鎵基溫度敏感型靜脈注射針的熱學和機械特性

最后，為了在靜脈注射期間提供更好的患者護理，該研究將薄膜溫度傳感器與剛性溫度敏感型靜脈注射針集成，以方便監測核心體溫或檢測治療藥物的滲漏。將帶有蛇形結構傳感元件的金薄膜集成在剛性溫度敏感型靜脈注射針針尖附近，以精確捕獲現場溫度。薄膜溫度傳感器的超薄且靈活的結構有助于實現無縫接口。研究結果表明，具有熱傳感能力的溫度敏感型靜脈注射針可用于輸液過程中的體溫實時監測，以及治療藥物滲漏的即時檢測。

圖3?與溫度傳感器集成的溫度敏感型靜脈注射針的潛在用途

總之，該研究設計了剛度可調的溫度敏感型靜脈注射針，其具有良好的生物力學兼容性和一次性使用的特性帶來的安全性。該靜脈注射針可應用于許多其他具有臨床意義的環境。此外，這種靜脈注射針還可以為世界衛生組織在全球范圍內發出的防止重復使用針頭和不安全注射做法的呼吁提供解決方案。

編輯：黃飛

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