基于MEMS技術(shù)的壓力感應(yīng)內(nèi)藏式膀胱造瘺器的設(shè)計(jì)與安全性檢測(cè)*

林婷婷 陳燁輝 李曉東 許 寧 孫雄林 魏 勇 薛學(xué)義 鄭清水

福建醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院泌尿外科，福建省福州市 350005

膀胱穿刺造瘺術(shù)用于永久性尿流改道，是泌尿外科治療神經(jīng)源性膀胱的最常用手術(shù)之一[1-2]。目前臨床常使用蕈狀造瘺管或氣囊導(dǎo)尿管作為膀胱造瘺管予以引流尿液，但存在不少缺陷，如易堵塞、攜帶不便、易發(fā)生尿路感染、可誘發(fā)膀胱痙攣等[3]。因此，擬研制一種基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro electro-mechanical system,MEMS)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)膀胱壓力的新型內(nèi)藏式的膀胱造瘺器，能夠做到及時(shí)報(bào)警、有效固定、避免刺激及外表美觀，解決傳統(tǒng)膀胱造瘺裝置的不足。現(xiàn)將研究前期階段關(guān)于膀胱造瘺器設(shè)計(jì)原理、樣式及安全性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行報(bào)道。

1 材料與方法

1.1 倫理審批 本研究通過(guò)福建醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院倫理委員會(huì)審核后獲批進(jìn)行。

1.2 設(shè)計(jì)原理 本裝置由穿刺套件(包括內(nèi)芯及外鞘)及造瘺器本體組成。穿刺套件的內(nèi)芯為一根長(zhǎng)條形頭端尖銳的金屬制品，用于穿刺時(shí)幫助外鞘突破組織進(jìn)入膀胱。外鞘包括裝置固定及長(zhǎng)度調(diào)節(jié)兩個(gè)模塊，如圖1示：注水后膨脹的環(huán)形水囊及旋轉(zhuǎn)螺母共同起到將外鞘牢固固定在腹壁上的作用，并且通過(guò)外鞘長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置，可個(gè)體化地根據(jù)病人的實(shí)際情況，找到最合適的固定距離。如圖2所示，造瘺器本體安裝于外鞘上，并可靈活拆卸。其主要由引流內(nèi)芯、壓力感應(yīng)、顯示及報(bào)警三個(gè)模塊組成：引流內(nèi)芯模塊用于膀胱內(nèi)的尿液的引流，可通過(guò)出口處的閥門控制；半導(dǎo)體硅壓阻式壓力傳感器直接與尿液接觸，感受膀胱內(nèi)壓的變化，將信號(hào)傳至處理器，并顯示于液晶屏上，若壓力大于預(yù)設(shè)值，則觸發(fā)警報(bào)，提醒患者打開排尿閥門進(jìn)行排尿。圖3為實(shí)際樣品設(shè)計(jì)圖。

圖1 新型膀胱造瘺裝置穿刺套件示意圖

圖2 新型膀胱造瘺裝置造瘺器本體示意圖

圖3 新型膀胱造瘺器樣品實(shí)際設(shè)計(jì)圖

1.3 安全性檢測(cè)

1.3.1 細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)：(1)細(xì)胞株：L929細(xì)胞(ATCC)。(2)實(shí)驗(yàn)試劑；胎牛血清(GIBCO)、RPMI1640(GIBCO)、胰酶/EDTA(GIBCO)、瓊脂(奧博星)、中性紅(Amresco)。(3)實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組：實(shí)驗(yàn)組為本產(chǎn)品樣品，以20ml生理鹽水于37℃浸提24h；陰性對(duì)照為高密度聚乙烯(上海賽科)，以20ml生理鹽水于37℃浸提24h；陽(yáng)性對(duì)照為含有機(jī)錫添加劑的聚氯乙烯(SIMS Portex Ltd,Hythe,Kent,CT21 6JL,UK)，以20ml生理鹽水于37℃浸提24h。(4)實(shí)驗(yàn)方法：通過(guò)瓊脂擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)[4]來(lái)評(píng)估樣品對(duì)細(xì)胞的毒性。①將預(yù)處理好的L929細(xì)胞懸濁液10ml加入培養(yǎng)皿，水平轉(zhuǎn)動(dòng)使細(xì)胞均勻分散，置入CO2培養(yǎng)箱37℃培養(yǎng)24h，形成近匯合單層細(xì)胞；②棄去培養(yǎng)液，將配制好的瓊脂培養(yǎng)基10ml加入培養(yǎng)皿內(nèi)，水平轉(zhuǎn)動(dòng)使瓊脂培養(yǎng)基均勻分布并在室溫下凝固。每個(gè)培養(yǎng)皿內(nèi)加入10ml中性紅染液，置培養(yǎng)箱37℃避光保持15min后棄去多余染液；③分別吸取0.01ml樣品或?qū)φ詹牧辖嵋海尤胫睆綖?mm圓形濾紙片中，將濾紙片放置在瓊脂表面。將培養(yǎng)皿置CO2培養(yǎng)箱繼續(xù)培養(yǎng)24h；④置顯微鏡下觀察濾紙片周圍及下方的細(xì)胞溶解情況，參照表1進(jìn)行結(jié)果判定。

表1 瓊脂擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)細(xì)胞毒性反應(yīng)分級(jí)

1.3.2 皮膚刺激實(shí)驗(yàn)：(1)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物：健康成年新西蘭兔，共6只，雌雄各半，體重(2.0±0.5)kg，購(gòu)自福建醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心，飼養(yǎng)于室溫23℃，濕度54%的環(huán)境中，飼養(yǎng)過(guò)程中自由進(jìn)食與飲水。(2)實(shí)驗(yàn)試劑：生理鹽水、橄欖油。(3)實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組：實(shí)驗(yàn)組為本產(chǎn)品樣品，分別以20ml生理鹽水和20ml橄欖油于37℃浸提24h；以20ml生理鹽水和20ml橄欖油作為空白對(duì)照組。(4)實(shí)驗(yàn)方法：①將6只家兔洗凈皮膚，在實(shí)驗(yàn)前24h褪去背部脊柱兩側(cè)絨毛(面積為10cm×15cm)，作為實(shí)驗(yàn)和觀察部位，如圖4所示，每只兔子背后分別有2處實(shí)驗(yàn)部位及2處對(duì)照部位；②將實(shí)驗(yàn)組生理鹽水浸提液、實(shí)驗(yàn)組橄欖油浸提液、空白組生理鹽水、空白組橄欖油取0.5ml，分別滴到2.5cm×2.5cm大小的吸收性紗布上，分別貼于家兔背后相應(yīng)區(qū)域，用繃帶固定紗布4h后，去除紗布，并將實(shí)驗(yàn)部位清洗、擦拭干凈；③在去除紗布后的1h、24h、48h和72h于自然光下觀察各區(qū)域皮膚反應(yīng)情況，參照表2予計(jì)分并計(jì)算原發(fā)性刺激指數(shù)(Primary irritation index，PII)，計(jì)算公式為：PII=(紅斑總計(jì)分+水腫總計(jì)分)/觀察次數(shù)，根據(jù)表3判斷刺激反應(yīng)類型。

圖4 兔子背部實(shí)驗(yàn)區(qū)域示意圖

2 結(jié)果

2.1 細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn) 培養(yǎng)24h后，顯微鏡下觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表4所示。實(shí)驗(yàn)組毒性反應(yīng)級(jí)別均≤1級(jí)，細(xì)胞溶解率均<10%，與陰性對(duì)照組無(wú)明顯差異；而陽(yáng)性對(duì)照組毒性反應(yīng)級(jí)別均為4級(jí)，細(xì)胞溶解率均>90%，顯著高于實(shí)驗(yàn)組及陰性對(duì)照組。

表2 皮膚反應(yīng)計(jì)分系統(tǒng)

注：記錄并報(bào)告皮膚部位的其他異常情況。

表3 刺激反應(yīng)類型

2.2 皮膚刺激實(shí)驗(yàn) 在去除紗布后的1h、24h、48h和72h后各組計(jì)分如表5所示。表6示：PII(實(shí)驗(yàn)組生理鹽水浸提液)=0.375±0.440；PII(對(duì)照組生理鹽水)=0.250±0.274；PII(實(shí)驗(yàn)組橄欖油浸提液)=0.375±0.209；PII(對(duì)照組橄欖油)=0.333±0.258。相比于對(duì)應(yīng)的空白對(duì)照組，生理鹽水及橄欖油浸提的實(shí)驗(yàn)組對(duì)皮膚刺激程度無(wú)明顯差別(P分別為0.568與0.765)，刺激反應(yīng)類型均為極輕微。

表4 瓊脂擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 隨時(shí)間改變各實(shí)驗(yàn)樣本對(duì)兔皮膚刺激反應(yīng)計(jì)分

注：結(jié)果表示為：紅斑和焦痂得分+水腫得分。

表6 各實(shí)驗(yàn)兔的原發(fā)性刺激指數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 討論

目前臨床常使用蕈狀造瘺管或氣囊導(dǎo)尿管作為膀胱造瘺管予以引流尿液[1]，但存在不少缺陷：由于氣囊導(dǎo)尿管尖端為盲端，管側(cè)壁引流口直徑較小，易被膀胱黏膜、絮狀物、結(jié)石等阻塞導(dǎo)致引流不暢；永久性膀胱造瘺患者需要終生攜帶狹長(zhǎng)的導(dǎo)尿管和集尿袋，外觀不美觀且需定期更換，造成諸多不便，給患者身心健康和正常社交帶來(lái)不良影響[5]；在帶管期間易發(fā)生感染，部分患者須長(zhǎng)期服用抗生素預(yù)防[6]；導(dǎo)尿管氣囊前端管道較長(zhǎng)，置入膀胱腔內(nèi)相對(duì)過(guò)深，懸浮的導(dǎo)尿管前端因體位、膀胱容量等變化因素，刺激膀胱三角區(qū)或膀胱頸部，誘發(fā)膀胱痙攣，給患者身心帶來(lái)巨大痛苦[3]。部分患者造瘺管不能與腹壁組織緊密結(jié)合，閉管時(shí)易從造瘺管旁大量溢尿。因此，設(shè)計(jì)一種新型的能克服上述缺陷、改善患者用戶體驗(yàn)的膀胱造瘺器勢(shì)在必行。

MEMS技術(shù)是指由微機(jī)械加工方法加工的微傳感器和微執(zhí)行器，與微電子信號(hào)處理和控制電路有機(jī)結(jié)合而成的自動(dòng)化和智能化的微系統(tǒng)[7]。目前基于MEMS 技術(shù)的設(shè)備在醫(yī)療領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[8-10]。本造瘺器充分發(fā)揚(yáng)MEMS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)多處設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新，旨在解決上述缺陷：環(huán)形水囊及旋轉(zhuǎn)螺母雙重固定，能個(gè)性化地適合各種腹壁厚度的患者，牢固地固定造瘺器，避免了漏尿的發(fā)生及導(dǎo)管前端摩擦造成的膀胱痙攣；基于MEMS技術(shù)的壓力感應(yīng)器與報(bào)警裝置，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)膀胱內(nèi)壓并做出反饋，從而使患者能模擬生理?xiàng)l件膀胱的周期性擴(kuò)張與排空，在解決即時(shí)排尿問(wèn)題的同時(shí)，促進(jìn)膀胱功能的恢復(fù)，降低尿路感染及上尿路損害的概率；小巧美觀的外表及無(wú)尿袋化的設(shè)計(jì)，最大限度減輕了患者生理、心理上的不適感及社交障礙。

本研究依照GB/T16886國(guó)家醫(yī)療機(jī)械生物學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)新研發(fā)的醫(yī)用材料需進(jìn)行生物學(xué)安全性評(píng)價(jià)，分為細(xì)胞毒性的評(píng)價(jià)與皮膚刺激性的評(píng)價(jià)[11-12]。瓊脂擴(kuò)散法[4]是一種常用的半定量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)樣品對(duì)細(xì)胞毒性作用的方法，研究顯示實(shí)驗(yàn)組與陰性對(duì)照組對(duì)細(xì)胞的毒性反應(yīng)無(wú)明顯差別；此外，皮膚刺激實(shí)驗(yàn)也顯示，實(shí)驗(yàn)組對(duì)小鼠皮膚刺激性與陰性對(duì)照組無(wú)明顯差異。因此，安全性評(píng)估得出：本造瘺器在實(shí)驗(yàn)條件下無(wú)細(xì)胞毒性及皮膚刺激性，可進(jìn)行臨床試用，進(jìn)一步評(píng)價(jià)其安全性及臨床實(shí)用性。