仿生設計學思想在醫療器械開發中的應用研究

張穎

江西理工大學 （江西贛州 341000）

近年來，隨著我國經濟的不斷發展以及人民生活水平的不斷提高，人們對醫療保健的意識逐漸增強，我國醫療公共衛生事業也取得了長足的發展，因此對于醫療器械的需求也在不斷地攀升[1]。醫療器械種類繁多，且大多價格昂貴，如何在滿足功能需求的基礎上，實現長壽命、高效率、高精度、人性化和經濟化等需求，是醫療器械開發者面臨的一大難題[2]。

歷經千百萬年的進化，大自然呈現出豐富的生物多樣性，在人類探索自然的過程中，基于生物體樣本的特征研究、并從中汲取設計靈感、從而實現生物體樣本“特殊功能”的人工復制是一項重要的活動內容，這一活動內容被定義為“仿生設計”，并在此基礎上發展起一門新興的邊緣學科——仿生設計學[3]。目前，仿生設計學已經擴展到許多領域，并在這些領域中得到推動和發展。仿生設計學思想也給醫療器械的設計開發提供了新的思路，國內外學者已經開啟了相關的應用研究。

1 仿生設計學思想在醫療器械中的具體應用

1.1 仿生手術夾鉗

手術夾鉗是外科手術中常見的醫療器械，操作對象主要包括人體組織、器官等，這些生物組織一般較為柔軟，且表面常覆蓋有一層濕滑的組織液，使手術夾鉗在操作過程中極易發生打滑。為使手術夾鉗可靠夾持生物組織，其表面多采用尖銳齒形結構，通過齒形結構受力后咬合、嵌入組織表面，達到機械互鎖、提升摩擦的目的。但該方式極易引起組織創傷、撕裂出血，引發嚴重的并發癥和后遺癥[4]。因此，為降低生物組織夾持損傷，有必要開發設計低夾持力、強摩擦的手術夾鉗，從而達到“松夾而不打滑”的效果。

生活在熱帶雨林中的樹蛙，能夠在濕滑的植被表面自由穿梭，并靈活地行走在水中的巖壁上，表現出優異的攀附性能。通過觀察發現，其腳掌表皮上分布著多邊形棱柱狀的微凸起結構，直徑約為10 μm，周圍布滿了貫通的溝槽結構，溝槽寬度約1 μm[5]，如圖1所示。

圖1 樹蛙腳掌表皮上多邊形棱柱狀的微凸起結構

樹蛙腳掌微觀形貌特征對于高摩擦特性表面的工程設計具有重要的啟示意義，是手術夾鉗表面進行“增摩防滑”設計的理想仿生對象。受此啟發，北京航空航天大學陳華偉教授團隊設計開發了仿生手術夾鉗，利用數控電化學腐蝕加工技術在夾鉗表面制備了仿樹蛙腳掌的密排六棱柱凸起結構[6]，如圖2（a）所示。

通過夾持對比試驗發現，傳統手術夾鉗由于其較大的尖齒結構，夾持過程中容易形成較大的生物組織變形，如圖2（b）所示，而仿生手術夾鉗表面由于其溝槽窄而淺，對生物組織產生的變形也會降低很多，如圖2（c）所示。測量數據顯示，生物組織變形量隨著夾持力的增加而逐漸升高，當夾持力達到10 N 時，仿生手術夾鉗導致的變形量約為30 μm，約為傳統齒形夾鉗的1/10。可見，仿生手術夾鉗表面對生物組織的夾持損傷要遠小于傳統齒形表面[6]。

圖2 仿生手術夾鉗及其效果圖

1.2 仿生人工關節

人工關節置換術是矯形外科發展史上重要的里程碑，通過外科技術將人工關節植入患者體內，替代患病關節功能，緩解關節疼痛，從而改善關節活動、提高患者生命質量。目前，人工關節置換術已被廣泛用于臨床，而人工關節存在著巨大的潛在市場需求。現階段，如何提高人工關節使用壽命、減少術后并發癥，是臨床醫護人員、手術患者和研究制造人員共同面臨的一大難題。

以往的研究主要集中于人工關節感染性或無菌性松動。而越來越多的研究發現，由于人工關節時刻處于摩擦狀態，而摩擦容易造成大量磨屑，磨屑與巨噬細胞反應會引起骨溶解，因此，對于臨床應用的人工關節來說，除了患者個體差異因素和手術因素，其摩擦學性能是決定其使用壽命的關鍵因素[7]。

研究者們試圖從自然關節上得到改善人工關節摩擦學性能的啟發。人體自然關節由關節軟骨、關節囊和關節液三部分組成。研究者們利用掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）對關節軟骨表面進行觀測，發現關節軟骨表面并非光滑，其表面分布著直徑20～30 μm、深度幾個微米的圓形或橢圓形凹陷[8]，圖3為關節軟骨表面SEM 照片。

圖3 人體自然關節軟骨表面的SEM 形貌

受此啟發，北海道大學的研究人員采用放電刻蝕法在鈷鉻合金股骨頭假體表面上刻蝕了微凹坑結構，制備出了仿生人工關節，其表面的微凹坑直徑、間距和深度分別為0.5 mm、1.2 mm 和0.1 mm[9]，如圖4所示。通過對比試驗發現，在模擬人體自然關節受力運動的情況下，仿生人工關節的摩擦系數明顯低于傳統人工關節，摩擦系數的降低率高達36.2%，實驗后仿生人工關節和傳統人工關節的磨損質量分別為0.7 mg 和1.1 mg，仿生人工關節的磨損降低了36%。

圖4 仿生人工關節

研究人員認為，仿生人工關節優越的摩擦學性能可能是源于關節表面的這種微米級凹坑結構；微凹坑結構起到了存儲潤滑液的作用。當仿生人工關節受到壓力、產生變形時，其內部儲存的潤滑液被擠出，從而促使摩擦面產生所謂的流體潤滑。通過對比潤滑油膜厚度與仿生人工關節表面粗糙度、滑動速度以及載荷之間關系，發現仿生人工關節之間存在的這種擠壓膜是影響自然關節潤滑效果的重要因素。

1.3 仿生醫用針頭

肌內注射是一種常見的醫療手段，通過醫用針頭刺破人體表皮，將藥物送入皮下組織。由于人體皮膚內分布著大量的感覺神經末梢，在肌內注射過程中容易產生疼痛感，從而使患者對肌內注射產生恐懼，調查數據顯示，在發達國家，8.1%的成人和20%以上的兒童對肌內注射有嚴重的恐懼感[10]。消除或減緩醫用針頭帶來的疼痛感對于減輕患者生理上的痛苦和心理上的恐懼具有重要意義。

生活經驗告訴我們，人們往往不易發覺被蚊子叮咬時的疼痛，吉林大學的研究人員對蚊子口器進行了細微的觀測，發現其刺吸式口器的上顎表面具有非光滑形態[11]，如圖5所示，這種非光滑的結構形態減小了口器與皮下組織的接觸面積，降低了界面間的摩擦，減少了對感覺神經末梢的刺激，使疼痛降低到人體難以察覺的程度。

圖5 蚊子口器上顎非光滑的結構形態

受此啟發，研究人員利用先進制造技術成功制備了仿生醫用針頭[12]，如圖6所示，大量試驗證明，與傳統醫用針頭相比，仿生醫用針頭能有效減小針體刺入皮膚組織的注射阻力，且注射藥物量、治療效果、使用方法與傳統醫用針頭無異。此類注射器結構簡單，加工工藝不復雜，效果較為理想，從市場角度來看更適合大范圍推廣使用。

圖6 仿生醫用針頭

2 仿生設計學在醫療器械中的應用前景

師法自然，仿生思想是一種新興的設計理念，仿生設計是連接人與自然的橋梁，大自然是人們用之不盡、取之不竭的靈感來源。仿生設計學思想為醫療器械的產品設計注入了新的活力，使醫療器械更加尊重自然客觀規律，更加注重產品的人性化設計，給予醫護人員和患者更多的人文關懷。同時，醫療器械的仿生設計又是一項復雜的系統工程，需要開發者對仿生對象以及設計對象均具備充分的了解，涉及多學科的交叉，具有一定的難度。未來醫療器械的仿生研制，一方面，仍需要在自然界中獲取更為理想的仿生原型，研究其生物體結構和功能特征，獲取構建仿生設計的新原理；另一方面，要重視各種微細制造技術、先進加工技術在仿生器械制備中的應用，研究其加工工藝，以提高仿生器械產品的制造精度。總之，仿生設計在醫療器械中顯示出巨大的發展前景，相關業界要重視仿生設計學思想在醫療器械開發中的應用。