刚度可调的温度敏感型静脉注射针设计

传统静脉注射针的刚性特征会导致组织损伤，并增加通过针头传播病原体的风险。为解决以上问题，韩国科学技术院Jae-Woong Jeong/Won-Il Jeong团队设计了一种静脉注射针，其刚度和形状取决于体温。这种注射针的针头足够硬，可以插入软组织，但插入后会变得不可逆转地软化，以适应血管的形状，并减少移除时针头损伤的风险。此外，集成薄膜温度传感器的静脉注射针可以监测小鼠的核心体温，并在体外检测猪组织的液体渗漏。该研究近期以“A temperature-responsive intravenous needle that irreversibly softens on insertion”为题发表在Nature Biomedical Engineering期刊上。

图1a显示了温度敏感型静脉注射针的示意图。这种静脉注射针主要包括两个部分：（1）矩形针框，和（2）软聚合物封装。针框由镓制成两种U型槽结构；每个框的上、侧壁厚度分别为0.20 mm和0.10 mm。外U型槽框架放置在内U型槽平台上，将其两侧壁围成一个封闭的矩形中空结构，然后使用具有优异撕裂强度的有机硅进行封装。镓是开发可变刚度医用针的最佳材料，因为它在固体和液体之间具有相转换性、低玻璃化温度和生物相容性。为了增加更多的功能，可以将薄膜温度传感器嵌入针头中，以实现体温的实时监测。 这种温度敏感型静脉注射针的刚度和形状可以调整。

针在室温下坚硬而笔直，就像传统的医用针一样，但当施加~ 30°C或更高的温度时，由于封装的镓框架的液化，针变得柔软。图1c显示了这种静脉注射针的刚度调节特性，以及其即使在柔软、高度变形的状态下也能可靠地输送流体的能力。此外，静脉注射针在使用后是完全软化的，使其完全不可重复使用。因此，这种静脉注射的特性不仅加强了静脉注射时患者的舒适度和依从性，还降低了通过意外针头损伤和针头重复使用在患者和医护人员中传播致命血液传播病原体的潜在风险。

图1 温度敏感型静脉注射针针头的设计和工作原理

了解温度敏感型静脉注射针的热行为对于确定其刚度变化特性至关重要。图2a ~ 2c显示了温度敏感型静脉注射针对模拟生物组织环境（~ 37°C）的温度的热响应。根据相变图，当温度敏感型静脉注射针暴露在37℃时，大约需要60秒才能转变为柔软状态，相变过程中体积变化可以忽略不计。镓基针的刚性到柔软状态的相转变时间可以通过减少镓和聚合物密封剂的厚度来改善。 图2d显示了温度敏感型静脉注射针的刚度调节能力。刚性模式下的温度敏感型静脉注射针具有较高的弯曲刚度，可以确保软组织插入。当转换为柔软状态时，刚度显著降低，促进动态变形，从而消除血管壁机械损坏的风险。

为了进一步确定刚性温度敏感型静脉注射针的组织穿透能力，该研究利用人造组织模型进行了研究。研究结果表明，温度敏感型静脉注射针的抗压强度可以克服穿刺皮肤所需的应力，等效皮肤穿刺力为1 N。此外，镓基针头封装材料的选择对于安全、刚性插入起着至关重要的作用。

图2 镓基温度敏感型静脉注射针的热学和机械特性

最后，为了在静脉注射期间提供更好的患者护理，该研究将薄膜温度传感器与刚性温度敏感型静脉注射针集成，以方便监测核心体温或检测治疗药物的渗漏。将带有蛇形结构传感元件的金薄膜集成在刚性温度敏感型静脉注射针针尖附近，以精确捕获现场温度。薄膜温度传感器的超薄且灵活的结构有助于实现无缝接口。研究结果表明，具有热传感能力的温度敏感型静脉注射针可用于输液过程中的体温实时监测，以及治疗药物渗漏的即时检测。

图3 与温度传感器集成的温度敏感型静脉注射针的潜在用途

总之，该研究设计了刚度可调的温度敏感型静脉注射针，其具有良好的生物力学兼容性和一次性使用的特性带来的安全性。该静脉注射针可应用于许多其他具有临床意义的环境。此外，这种静脉注射针还可以为世界卫生组织在全球范围内发出的防止重复使用针头和不安全注射做法的呼吁提供解决方案。

编辑：黄飞