靜脈注射針的高度僵硬會導致組織損傷，并增加通過意外針頭傳播血液傳播病原體的風險。在這里，韓國科學技術院Jae-Woong Jeong/Won-Il Jeong團隊描述了一種靜脈注射針的發展和性能，它的硬度和形狀取決于體溫。針頭足夠硬，可以插入軟組織，但插入后會變得不可逆轉地靈活，適應血管的形狀，并減少移除時針頭損傷的風險。在小鼠身上，這種針頭具有類似的液體輸送性能，并且比類似尺寸的商業靜脈注射設備引起的炎癥要少得多。還表明，集成了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。體溫敏感型靜脈注射可能會改善患者的護理。該研究以題為“A temperature-responsive intravenous needle that irreversibly softens on insertion”的論文發表在《Nature Biomedical Engineering》上。
【P-CARE針的設計、材料和操作】
圖1a顯示了P-CARE針的示意圖。針的各種部件可以分成兩部分：(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。鎵是開發可變硬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和改善患者的福利，可以將薄膜溫度傳感器嵌入針頭中，以監測現場溫度。P-CARE針的硬度和形狀可以調整。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，針變得柔軟而順從。圖1c顯示了這種剛度調節特性，以及即使在柔軟、高度變形的狀態下也能可靠地輸送流體的能力。
在剛性模式下，針可以刺穿生物軟組織。然后，由于局部組織溫度，針頭變得柔軟，可以動態適應組織變形，同時可靠地輸送液體。同樣的靜脈注射針在使用后是完全柔軟的，使其完全不可重復使用。靜脈注射針頭的這些進展不僅加強了靜脈注射的患者護理，還降低了通過意外針頭損傷和不道德的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。硬質P-CARE針可以在室溫下穿透軟組織合成組織，并且針在軟組織體模內時會變軟(~37°C)。此外，軟化的針能適形地適應組織的變形，而不會有損傷靜脈的風險，這是商業IV不銹鋼針頭和導管無法做到的。具有卓越的組織適應性的硬度調節是P-CARE針的一個獨特功能，它克服了傳統靜脈注射進入裝置的基本限制，這些裝置具有固有的高和固定的硬度，并且可能導致注射部位的組織損傷，特別是當患者移動時，因為剛性針和軟組織之間的巨大機械不匹配。
圖1|P-CARE針頭的設計和工作原理
【P-CARE針的熱和機械特性】
了解P-CARE針的熱行為對于確定設備的剛度變化特性至關重要。圖2a-c顯示了P-CARE 針對模擬生物組織環境(~37 °C)的溫度的熱響應。插入豬肌肉組織模型(~37°C)的最初堅硬的 P-CARE針由于鎵結構的液化而變得柔軟。根據相變圖測量，當P-CARE針暴露在37℃時，大約需要60秒才能轉變為軟態，相變過程中體積變化可以忽略不計。鎵基針的剛性到軟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P-CARE針的剛度調節能力。剛性模式下的P-CARE針具有較高的彎曲剛度，與商業IV導管，確保軟組織插入。當轉換為軟模式時，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P-CARE針的組織穿透能力，該研究配制了人造組織模型，以產生靜脈的楊氏模量。圖2h顯示將剛性P-CARE針插入單塊組織體模，表明針在插入期間和縮回后沒有明顯彎曲。請注意，靜脈的彈性模量與角質層下方的生物組織層的彈性模量重疊。該演示表明，剛性針可以刺穿角質層下方的靜脈和組織層，而沒有彎曲的跡象。根據這些結果，剛性P-CARE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。
該研究還研究了P-CARE針的整體功能及其在靜脈注射藥物中的潛在用途，該模型使用具有模擬生物組織(約 37 °C)的靜脈孔結構的合成組織模型。在環境條件下，針頭很硬，可以穿透組織模型，但在插入后會變軟，同時輸送液體。軟模式下的同一根針可以動態適應組織變形，而不損壞靜脈并持續輸送液體。
圖2|鎵基P-CARE針的熱學和機械特性
【體內生物相容性研究】
該研究通過將樣品裝置植入小鼠右腿肌肉中來評估P-CARE針的生物相容性。結果表明，與不銹鋼針和商用IV導管相比，P-CARE針具有優異的生物力學相容性，因為軟化的P-CARE 針能夠適應性地與周圍組織接觸。此外，P-CARE針能夠減少炎癥與不銹鋼針相比，其損傷程度與商業IV導管相當。總體而言，這些結果表明，與同等尺寸的商用靜脈注射裝置相比，P-CARE針具有增強的生物相容性。
圖3|P-CARE針頭在小鼠體內生物相容性的體內評估
【液體輸送的體內評估】
為了評估P-CARE針在體內的插入和液體輸送性能，在小鼠身上進行了實驗。簡而言之，在通過剖腹手術暴露肝臟之前將小鼠麻醉，然后將針插入下腔靜脈。證明了P-CARE針能夠在小鼠體內使用原位封閉肝臟灌注來刺穿軟組織并在體內注入液體。為了進一步驗證P-CARE針的液體或試劑輸送功能，評估了原位封閉肝臟灌注回路中對乙醇給藥的反應。顯示了P-CARE針與商業IV導管類似的良好的液體輸送功能，因為與注射乙醇類似，小鼠肝組織中代謝酶細胞色素P450 2E1 (CYP2E1)的mRNA 水平增加。小鼠肝組織H&E和CYP2E1 染色切片的圖像證實了P-CARE針與商業IV導管作為小脂滴(H&E染色)具有同等的生物相容性液體輸送能力。這些結果驗證了P-CARE針的體內液體輸送能力與商業IV導管相當。
圖4|P-CARE針頭與商用靜脈導管的體內液體輸送效果
【靜脈注射期間潛在的現場溫度傳感】
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P-CARE針集成，以方便監測核心體溫或檢測治療藥物滲漏到皮下組織中。帶有蛇形結構傳感元件的金薄膜戰略性地位于剛性P-CARE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在商用溫度傳感器不適合的關鍵位置實現無縫接口。研究結果表明，具有熱傳感能力的P-CARE針可用于監測輸液過程中的現場溫度，有可能用于監測核心體溫或治療藥物滲漏到皮下組織中。
圖5|與溫度傳感器集成的P-CARE針的潛在用途
【小結】
總之，該研究描述了設計剛度可調的智能針和醫療工具的基礎知識，這些工具可提供增強的生物力學兼容性和使用后的安全處理功能。該裝置可應用于許多其他具有臨床意義的環境。此外，它們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。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41551-023-01116-z
