经皮介入治疗中的生物激发针研究进展

仿生智能与机器人2（2022）100064经皮介入治疗用生物激发针的研究进展马一驰a，肖晓b，任宏亮c，Max Q.-H. 孟乙，1a美国加州大学伯克利分校机械工程系b南方科技大学电子电气工程系，深圳518055c香港中文大学电子工程系，香港999077，中国A R T I C L E I N F O保留字：生物活检针生物活检针可控针A B S T R A C T仿生设计将自然或生物结构或行为的知识转化为新的理论和技术，为研究和开发提供新的方向。尽管用于经皮介入技术的医用针似乎已经成熟，但仿生解决方案变得流行以进一步促进医用针的性能。在本文中，我们回顾了目前的状态，生物启发医疗针设计经皮介入，包括各种仿生机制和插入策略。 根据仿生医用针的应用，将现有的和实验性的仿生医用针设计分为五类，并对它们的特点进行了分析和讨论。这种分类和讨论不仅可以为以前的研究提供技术见解，还可以为未来的研究确定未发现的方向1. 介绍经皮介入是现代临床实践和治疗中非常常见的技术。经皮诊断和治疗，如活检[1，2]、血液采样[3]和近距离穿刺[4]，依赖于将针头、导管和探针插入患者身体和组织。在插入经皮器械以实现所需性能方面有许多要求和注意事项。除了在普通经皮介入中使用的针之外，还设计和开发了专用针用于信号监测[5]、药物和疫苗输送[6，7]以及生物传感[8]。然而，目前医用针设计中存在的一些问题和不足，促使研究者寻求改进和创新。除了成像限制[9]、图像未对准[10]、目标不确定性[11]和人为错误外，组织变形[12]和斜面尖端导致的针头偏转[13]等机械错误可能严重破坏针头放置准确性，影响治疗有效性。尽管针的主动控制可以提高放置精度，但组织变形和移动仍然不确定且难以预测[14]。据报告，在乳腺组织中进行立体定向空芯针活检时，组织变形和针移位可导致高达2.4mm的定位误差[15]。典型的刚性针插入使软组织以及目标变形并移动，使先前计划的插入路径无效。此外，针的不同尖端特性导致*通讯作者。电子邮件地址：xiaox@sustech.edu.cn（X. Xiao）。不同的插入行为。虽然常用的bevel- 发现针尖针头的插入力小于锥形针尖针头[16]，在插入过程中，由于不对称针尖上的反作用力，锥形针尖针头会导致偏转，从而导致不期望的插入轨迹并影响插入精度。当由于上述原因导致针错位时，必须考虑术中调整路径或重新插入，这会给患者和医生带来并发症[17]。然而，由于通常可用的针是刚性的，因此当插入完成时不太可能重新调整针。此外，有些目标很难到达，例如器官和血管就在路径上。使用常规的刚性针头，物理学家可能被迫进行开放手术[18]，导致治疗中的并发症。显然，典型的刚性针无法转向，这限制了针可以到达的位置。因此，柔性针设计潜在地提供了一种解决方案，以增加可操作性并提高针的调节能力，以准确地到达目标。此外，针的大插入力可引起对软组织的损伤并对患者造成疼痛，破坏了微创的目标早期的研究表明，患者的疼痛与针头插入力呈正相关[19，20]。因此，减小插入力是无痛治疗的关键此外，不受控制的针插入力会损伤软组织，如脑组织，并可能导致脑手术期间的创伤[21]。1 鉴于他作为这本杂志的主编，马克斯Q。H.孟没有参与这篇文章的同行评审，也没有获得信息关于它的同行评审这篇文章的编辑过程的全部责任被委托给教授。李一斌https://doi.org/10.1016/j.birob.2022.100064接收日期：2022年4月28日;接收日期：2022年7月10日;接受日期：2022年8月1日2022年8月13日在线提供2667-3797/©2022作者。由Elsevier B.V.代表山东大学出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表仿生智能与机器人学期刊主页：www.elsevier.com/locate/birobY. 妈，X。Xiao，H.Ren等人仿生智能与机器人2（2022）1000642Fig. 1. 仿生针体表面图案概述。许多经皮介入治疗通常需要细长的针才能到达深部靶区。然而，较大的插入力导致细长针在穿透固体基质时产生较大的轴向应力，这可能导致屈曲[22]。屈曲导致插入不准确，还限制了穿刺深度，抑制了针的性能并引起安全问题。在一些医疗场景中，例如持续药物递送[23]、先天性伤口愈合[24]、传感器或微型机器人锚定[25，26]以及甚至绷带部署[27]，长期组织粘附成为挑战之一。一些已开发的化学粘合方法（如使用氰基丙烯酸酯）可能导致组织的炎症反应，并且化学粘合的强度很容易因血液的存在而受到污染，从而引起安全和健康问题，并破坏许多手术环境中的粘合效果[23]。此外，弱且无效的组织粘附挑战了长期的药物输送。尽管开发了胶带以减少手术时间，减少组织上的疤痕，并将组织力分散在一个区域上[28，29]，但它们的组织粘附能力在许多情况下仍然不理想，因为它们的粘附机制仅基于表面缠结，而不是渗透到组织中[30]。由于目前针头设计在如此广泛的应用中存在的问题，研究人员开始特别关注生物结构和行为，特别是昆虫。对蚊虫的口器结构[31]、蚊虫的叮咬和取食行为、蜜蜂刺的结构[32]、蜜蜂的产卵器[33]等进行了初步的研究。[33对这些生物结构和行为的了解激发了学者们开发和设计生物启发医疗针。在这篇综述中，我们旨在通过检查具有不同应用的针设计和机制来呈现生物启发医疗针的当前成就。由于我们的兴趣涉及生物结构或行为的研究，我们主要集中在仿生针的设计和机制。此外，通过提供分类，我们希望在未来的应用驱动设计的医疗针推进研究。2. 生物灵感针头设计仿生针是通过观察和利用各种昆虫（如蚊子和蜜蜂）的某种生存行为而设计和开发的。这种自然激发的针在活检中非常有用，减少了患者在插入过程中的疼痛，减少了插入的目标放置误差，将传感器锚定在人体内，输送缓释药物，以及进行微创治疗，如脑外科手术[22，50]。为了解决这些特定的情况，目前提出的生物启发针可以分为四个主要的感兴趣的领域在以下子主题部分中，基于其目标对生物激发针进行分类：（1）最小化针的插入力或穿刺力，（2）增加针的可操作性，（3）增强针的粘附能力，（4）减少组织变形和应变，以及（5）其他应用。图二、蚊子喙的结构概述[51]。2.1. 最小化插入力或穿刺力在经皮治疗期间，针的插入力是针尖处的切割力、针与组织之间的摩擦力以及由组织的内部硬度引起的力的组合[52]。当针体在组织内行进时产生插入力。在针经皮实践期间涉及的另一个重要力是穿刺力。穿刺力是在插入力发生之前发生的外皮压痕和瞬间穿透期间突然增加和下降的力[53]。许多研究得出结论，针头插入的疼痛与针头插入组织的力呈正相关[19，20]。此外，其他研究人员发现，针插入力的增加会导致组织中更多的机械损伤，尤其是脑组织[21]。在努力使针的插入力最小化的过程中，减小针的直径已经成为一种流行的方法[54然而，减小针头尺寸的问题是针头可能会发生屈曲和断裂的机械故障[43]，这会引起安全和健康问题。因此，大多数研究旨在利用来自自然的灵感来减小插入力。在针的表面上创建仿生几何图案是开发针以减小插入力的常用技术之一。针表面并不光滑， 具有如图3所示的这些几何图案的锯齿状或锯齿状。表面的粗糙度可以通过图案深度来表征。图1展示了当前开发的生物启发针的表面上的表1报告了选定的生物启发针设计和插入策略，以降低插入力。蚊子成为开发生物激发针以减小插入力的尝试中的焦点之一。蚊子的口器，如图所示。第二，对很多学者来说，这是一个非常重要的问题。对我们Y. 妈，X。Xiao，H.Ren等人仿生智能与机器人2（2022）1000643表1用于减少插入或穿刺力的生物吸入针参考年份灵感机制图案几何形状针径（μm）图案深度（μm）尖端特性提到提到（外针）图三. 详细观察蜜蜂启发的针的表面（a）针体表面上的倒刺图案模型（b）倒刺表面图案的2D图示[45]。据了解，最早的蚊子针设计工作是由Oka的团队在2001年完成的。Oka等人制造了一种中空的微针，其锯齿状图案与蚊子下颌中所见的一样采用湿法腐蚀Si、键合另一Si基片、氧化中空壁、干法腐蚀各部分的方法制备了SiO2完成的针处于微米级水平：其尖端直径为2 μm，针体小于85μm。在硅橡胶中的最大插入力为1.5 gfYang等人提出了不同通过使用振动减少针的插入力的方法，在蚊子刺穿皮肤期间观察到的行为他们发现蚊子使用200-400 Hz的振动刺穿皮肤。根据这些发现，将硅基微针安装在以kHz频率范围操作的振动致动器上用于插入测试。总之，纯振动导致峰值插入力降低70%。从那时起，许多研究人员试图将振动包括在进针策略中。2007年，Aoyagi等人引入了另一种模仿蚊子喙的锯齿形微针，以降低穿刺力[38]。 如图 四、他们的针是通过用PLA（聚乳酸）注射成型制造的。针的宽度为90~200μm，厚度为在插入实验中仔细评估了直径为45 μm至100 μm、尖端角度为15 °至75 °的材料，以研究其降低穿刺力的性能。通过观察蚊虫在插入过程中阴唇的见图4。蚊子启发针与锯齿和鱼叉（向后倒钩）几何图案[38]。等人还通过在测试对象上施加张力来引入拉伸。当硅橡胶的应变从0增加到0.06时，平均穿刺力从43 gf减小到31 gf。然而，当施加高于0.06的应变时，由于穿刺力保持在约31gf，所以对降低穿刺力没有显著的效果在实验中还通过使用PZT（压电）致动器引入30 Hz的振动，并且发现这有助于将穿刺力从约40 gf减小到30 gf。2010年，Izumi等人制造了一种锯齿状硅微针，该微针是在Aoyagi的研究基础上开发的，重点研究穿刺力[42]。针是由一个更复杂的结构，模仿中心直唇和外部向后Qi等人[36]2010蚊子针上的图案锯齿状35080锥Oka等人[37]2001蚊子针上的图案锯齿状没有提到<85没有提到Aoyagi等人[38]2008蚊子振动，针锯齿状和向后倒钩宽度90不金字塔Gidde等人[39]2020蚊子振动，针锯齿状1650不修正斜面Lenau等人[40]2017蚊子振动，皮肤拉伸NA508NA没有提到杨等人[41]2004蚊子振动NA没有提到NA没有提到Izumi等人[42]2009蚊子振动、相对运动、针倒钩30（中心针），157锥铃木等人[43]2018蚊子相对运动，针上的图案倒钩100没有提到半锥体（每段）Kim等人[44]2018蚊子振动，皮肤拉伸NA60–140NA平坦Sahlabadi等人[45]2018蜜蜂针上的图案直角倒刺1000–3000100–500研究了圆锥和斜面Khodaei等人[46]2017蜜蜂针上有图案，图案可控制可变角度倒刺没有提到没有提到平头圆锥Sprang等人[47]2016黄蜂相对运动NA2000NA1/4圆锥（每段）Das等人[48]2018黄蜂相对运动，材料梯度NANANA锥Cho等人[49]2012豪猪刺针上的图案倒钩没有提到50–100锥Y. 妈，X。Xiao，H.Ren等人仿生智能与机器人2（2022）1000644图五. 材料性质由准静态纳米压痕得到：（a）沿黄蜂毒刺从基部到尖端的弹性模量和硬度。(b)弹性模量映射沿着黄蜂的刺（c）沿黄蜂毒刺的硬度绘图[48]。蚊子有倒刺的上颚采用电化学腐蚀法制作了一个宽度为30 μm的中心直针和两个宽度为15 μm的制造出来的针头，在尺寸和几何形状上，都非常接近于真实的蚊子喙。Izumi还研究了30 Hz的振动与三针部件的协同运动相结合的效果。随着中央针的前进，两个外侧锯齿针同时前进。分别在无振动、10 Hz纯振动和10 Hz振动与协同运动的情况下进行了三个实验。结果表明，不配合无振动时的穿刺力为21 gf，不配合有振动时的穿刺力为13 gf。同时，配合运动的振动达到了6gf的穿刺力，这是更有效地减少插入阻力比以前的方法受到泉的工作中的SEM（扫描电子显微镜）图像的启发以更大的比例在针上复制针图案的几何形状[39]。 他们使用3D打印机制造了一个1.65 mm（1650 μm，16号）的原型斜面针头，带有锯齿状图案。通过使用压电致动器，在其插入测试中还包括150 Hz的振动频率。与3D打印制造的具有相同直径的标准斜尖针相比，使用生物启发策略的插入力降低了27%。Suzuki等人继续研究了蚊子针相对运动的有效性，并提出了基于协同运动的微针设计[43]。针由Nanoscribe GT系统（3D光刻机）制造。直径为100 μm的倒钩针由两个独立的半针组成，允许相对和协作运动。两个半针交替驱动。实验表明，相对运动和振动的针的插入力低于单独振动的插入力，这与Izumi的发现一致同样受到蚊子颌骨和上颌骨微结构的启发，Qi等人生产了具有各种非光滑比率的锯齿状针[36]。用扫描电镜对蚊的颌骨和上颌骨进行了观察。然后，使用小车床在直径为350 μm的普通医用针上轧制锯齿图案。具有27%的非光滑比率的针在没有振动致动的硅胶模拟中的插入实验期间显示出19%的功减少。实验结果证实，较大的非光滑区域的针导致在插入过程中的阻力较小。其他研究人员对蚊子的进食行为更感兴趣。他们没有提出新的针头设计，而是更加关注将蚊子的进食策略融入常规的针头插入程序。Kim等人开发了一种插入策略，在2017年整合振动和皮肤拉伸[44]。实验中使用直径为60 μm~140 μm的普通商业针灸针，通过连接压电致动器的紧固件支架对皮肤样品施加单轴拉伸和振动。Kim等人发现，插入力与振动频率成反比，但与振幅成正比。皮肤拉伸的应用导致插入力的减小，这有助于实现深插入。Lenau等人还研究了在针头插入过程中皮肤拉伸的影响，灵感来自蚊子Lenau的研究集中在设置插入速度，应用皮肤拉伸和使用振动的插入策略上。采用各种策略，在聚氨酯条和凝胶中测试了DB Microlance直径为508 μm的硅胶涂层针头。当施加0.12的应变时，施加皮肤拉伸可以使穿透力降低14.7%。还报道了振动和不同速度的其他测试结果。许多学者在设计仿生针时也受到蜜蜂刺的启发，以减少插入力。Sahlabadi等人观察了蜜蜂刺的倒钩，并仔细研究了倒钩的不同几何参数的影响[57]。蜜蜂启发的倒刺针是用Connex 350 3D打印机制造的，具有各种设计参数：前角，后角，倒刺高度，倒刺尖端厚度和倒刺部分的长度。Sahlabadi在他的研究中得出结论，当后角为90度，角度为170度时，插入力最小。在实验优化的设计参数下，其锥形针尖倒刺针的平均插入力比传统的锥形针尖针尖倒刺针降低了30% 与传统针相比，斜面倒刺针的平均插入力降低了35%然而，Khodaei等人担心蜜蜂激发的倒刺针的拔出力会对组织产生不期望的损伤在他的工作中，Khodaei等人试图改进Sahlabadi等人。通过整合可变角度倒刺针设计概念，防止大拔出力引起的组织损伤[46]。在Object Connex 3D打印机上制造了一个大型原型。四根形状记忆合金丝安装在倒刺的底部。镍钛合金丝在加热到相变温度以上时会收缩，允许连接的倒钩顺时针或逆时针旋转。然而，尽管其未来的潜力，可变角度倒刺针仍然处于概念阶段，其小型化可能是困难的。黄蜂产卵器的结构和相对运动也引起了仿生设计学者的关注。大多数研究都集中在使用黄蜂启发的机制来开发可操纵的针，这将在下一小节中详细讨论。一些学者正在努力利用黄蜂激发的相对运动来减小插入力Y. 妈，X。Xiao，H.Ren等人仿生智能与机器人2（2022）1000645见图6。准静态纳米压痕法测量了材料的弹性模量和硬度。 (b)蜜蜂刺的弹性模量图（c）沿蜜蜂刺的硬度绘图[48]。的针。Sprang等人制造了由四个针部件组成的直径为2 mm的锥形尖端针[47]。每个不锈钢针部件具有光滑的表面和在其主体处的正方形横截面。缝针部件没有联锁装置。针部件在末端保持在一起，并且它们中的每一个都连接到线性步进电机，这允许针部件的独立运动。整个针头的运动是通过每个针头部件的向前驱动顺序来实现的。插入实验表明，不同的驱动策略，如圆形，对角线，和两个两个之间没有性能差异。Sprang等人得出结论，他们实现了针插入的低净推力作为最大值，实验中推力为0.035 NDas的工作中详细研究了黄蜂和蜜蜂刺的结构和机械性能等[48]。Das等人通过3D微型计算机断层扫描成像（微型CT）比较了黄蜂和蜜蜂刺的结构。用TI 950 Tribo-Indentor压痕仪在压痕实验中测量了刺的弹性模量和硬度，并在他们的工作中报告。如图结果表明，无论是蜜蜂还是黄蜂，其针刺的弹性模量和硬度都是从基部到尖端纵向递减的。数值模拟还表明，最大冯米塞斯应力随插入角的刺。同样，在纵向上也发现了这种材料梯度特性在蚊子的唇中，如Gurera等人报道的，的工作[58]。然而，黄蜂和蜜蜂刺的横向力学性能在他们的工作中仍然没有探索。Gurera等人。[58]理论上，结合蜜蜂和黄蜂刺的特征可以减轻疼痛。根据他们的发现，他们提出了一种具有材料梯度特性和优化插入角度的针设计，这将导致对针，使针插入更容易。受刺激器启发的滑动机制可以用来输送麻醉液。类似于Das et al。研究中，针没有制造和测试。因此，本研究中未测量插入力数据。Cho等人也受到豪猪丸上微结构倒钩的启发，以减少插入力[49]。Cho假设，由于豪猪羽管的倒钩和肌肉组织纤维的长度尺度相似，倒钩可以在刺入过程中局部拉伸纤维，从而降低刺入力。通过使用可产生微倒钩的复制成型来制造有倒钩和无倒钩聚氨酯针倒刺针的穿刺力比无倒刺针的穿刺力小80%。还考察了各种倒钩区域对针的影响，结果表明，倒钩在区域2至距离针尖4mm的距离实现了穿透力的显著降低。见图7。黄蜂产卵器的结构（a）黄蜂产卵器的SEM图像。B中所示的区域用虚线表示。(b)Micro-CT扫描产卵器的一部分[比例尺：A中为100 μm，B中为10 μm][62]。见图8。 一个详细的外观产卵的黄蜂与横向削减[63]。2.2. 增加针头的可操作性在经皮介入中，当目标难以到达并且必须避开器官和血管时，非常需要将针控制到目标。此外，拥有对针的控制为了解决这些问题，学者们一直在寻找将昆虫的插入行为纳入医疗器械中，如表2所示。最常见的转向技术是使用多节段设计和每节段的相对运动黄蜂是一种主要的昆虫，激发了许多研究人员在设计和开发针转向机构。该蜂的产卵器是一种细长的结构，可穿透寄主的软组织。图图7示出了黄蜂产卵器及其横截面的SEM图像。具体地，如图8所示，产卵器Y. 妈，X。Xiao，H.Ren等人表6仿生智能与机器人2（2022）1000646生物启发的针，以增加可操作性。年份灵感机制针直径（μm）图案深度（μm）最大曲率（mm−1）[59][60个][18]第17话：我的世界2017 Wasp 7段相对运动NA 250（每段）平面（每段）0.0184和0.0143两相反方向由三个节段或阀门组成，特殊的燕尾联锁机构允许节段的相对滑动[64]。S. Y. Ko和Frasson是将黄蜂产卵器的机制整合到可操纵针设计中的先驱。早期的工作集中在单个斜面尖端转向针[65]。Misra等人[66]在研究中提出了关于斜尖缝针几何形状和载荷的详细分析模型以及挠度计算方法。2010年，S. Y. Ko等人提出了一种针头设计，其中四个单独的斜面针尖针头段通过燕尾机构互锁。该12 mm直径的针原型由具有高弹性的橡胶状材料制成[61]。通过节段偏移实现转向功能：引导节段将受到斜面尖端引起的组织反作用力，节段尖端上的反作用力引导偏移节段转向。这种工作原理如图所示。第九章平面轨迹中的插入测试结果表明，针的曲率与转向偏移成正比。针原型实现了0.0056 mm−1的最大曲率，偏移距离为30 mm。在他们的工作中，开发了详细的二维轨迹反馈控制策略。值得注意的是，S。Y. Ko2011年，基于S. Y. Ko他们制造了直径为12 mm或9 mm、倾斜尖端角度为20度或45度的原型针组合。Frasson等人发现，缝针直径越大，缝针曲率越小，并且在相同偏移距离下，曲率随着斜面尖端角度的增加而增加。然而，减小针的直径可引入针运动的更多总之，在针上偏移距离为40 mm（45度斜面尖端，9mm直径）的情况下，实现了0.019 mm−1Burrows等人通过将先前的工作扩展到三维空间来继续开发这种黄蜂启发的针[60]。一个四节针与类似的设计，从S。Y.Ko和Frasson是由Objet 3D打印机制造的，它的外径为8 mm，斜面尖端角度为20度。成功地进行了三维弯曲实验开环控制。最大曲率为0.019 mm−1，对于单个前导段，以27 mm的偏移量获得2017年，Scali等人提出了一种新型黄蜂启发针，使用具有外部联锁机构的相对运动设计[17]。Scali等人认为，在以前的工作中提出的内部互锁机构的小型化是困难的[59为了解决这个问题，Scali等人使用了一种外部互锁机制：一个花形铝环（长2 mm，外径1.2 mm）和五个带孔的标准环（长2 mm，外径1.0 mm）作为互锁装置 用于针段。针由7根直径为0.25mm的扁平尖镍钛丝组成，6根丝可在环内自由滑动，中心丝固定在针座上。针的推进是通过首先推动一个接一个或两个接两个的六个片段，同步在驱动循环期间仔细进行了针的力分析。通过推拉致动序列和由多个节段的偏移产生的“离散”斜面尖端实现针的转向与使用相对运动的先前研究相比，Scali针实现了0.0184± 0.0017 mm−1的右转向曲率，节段偏移为3.6 mm。然而，当转向左侧时，在相同条件下的转向曲率为0.0143± 0.0060 mm−1。尽管Scali等人通过其缝针设计实现了转向，但他们尚未发现斜面偏移和曲率之间的系统关系。此外，针转向的性能不稳定：在左转向测试中，25次试验中有10次失败。后来，Scali等人通过将圆柱形互锁环替换为发散或会聚环来改进他们的黄蜂启发的针设计[18]。在这项工作中，他们的目标是增加转向曲率，同时仍然保持直径小于2 mm。针之间的比较试验表明，发散联锁环比会聚联锁环的曲率更高。进行了几项改进：带有发散环的针实现了比之前带有圆柱环的针（0.078）更高的偏转-插入比（0.097），并且转向失败率从之前的针的16%降低到4.69%[17]。尽管如此，没有明确的关系，发现之间的偏移，行程长度和曲率的针。2.3. 增强针的粘附能力实现对软组织的高粘附有利于持续的药物递送。尽管开发了用于药物输送的组织胶带，但组织粘附并不理想，仅限于表面，而不会深入穿透组织[23，71]。对蠕虫和臭虫的研究启发了研究人员开发出具有高拔出力和增强粘附能力的针。表3示出了用于增强针的粘附能力的各种这些针设计通常包含膨胀机构或向后倒钩，而倒刺针通常涉及增材制造技术。受寄生虫光肩星天牛（Pomphorhynchus laevis）的启发，将光肩星天牛S. Y. Yang等人描述了这种蠕虫启发的微针阵列，其可以在组织中与肿胀尖端机械互锁[23]。微针的基部直径为280 μm，高度为700 μm。它的可膨胀尖端高度为20%，聚苯乙烯-嵌段-聚（丙烯酸）嵌段共聚物，其将对组织中的水有反应。在猪皮肤上对10× 10个1 × 1 cm2微针阵列的评价表明，粘附强度可达到0.93± 0.23 N/cm2。相比之下，平面贴片只能达到0.22± 0.09N/cm2的粘附强度。微针阵列显示出较强的一天内释放某种药物的能力，揭示了K. Y. Seong等人[70]。提出了类似的水响应溶胀机制，并使用了类似的材料。图10展示了本研究中使用的机制。微针的基部直径为250 μm，高度为750μm，其中可膨胀尖端占60%。 相反Frasson等人2011黄蜂2个节段9 000和12 000NA斜面（每个段）0.019Burrows等人2013黄蜂4节段NA800斜面（每个段）0.019Ko等人[61]2011黄蜂4节段NA12 000斜面（每个段）0.0056Y. 妈，X。Xiao，H.Ren等人表7仿生智能与机器人2（2022）1000647生物启发针，用于增强粘附能力。参考年份激励机制模式几何倒钩倒钩针头直径（μm）截面200图案深度（μm）尖端特性最大拔出力（N）见图9。 黄蜂启发的多段针的工作原理示意图。见图10。 具有药物释放的可溶胀微针的示意图[70]。的一个完整的圆锥形的研究中使用的S. Y. Yang等人每个微针的几何形状为子弹形。实验表明，10 μ g/L的复合材料的粘接强度为1.21±0.31N/cm2×10微针阵列。所以，S。Y. Yang等人得出结论，与S. Y.杨的书房。微针贴片能够在12小时内在正常小鼠的背部皮肤上释放241± 20 μg胰岛素，而没有炎症反应。见图11。棘头虫前端的SEM图像，显示蠕虫长鼻[72]。如示于图11、来自蠕虫长鼻的尖刺也成为粘针设计的灵感来源。受寄生棘头虫长鼻的启发，Liu等人开发了平头向后倒钩微针，以增强粘附能力[25]。针是通过直接激光写入技术制造的，这是一种增材制造方法。针体直径为108 μm，顶部直径为74 μm。尽管倒刺缝针的穿刺力增加，倒刺缝针仍实现了约0.040 N的最大拔出力和0.025 N的计算平均拔出力。与带刺的相比，Han等人[68]2020蜜蜂针上的图案落后400<450锥0.054± 0.007/针Chen等人[69]2018蜜蜂针上的图案倒钩头端10;中间<50锥0.073Liu等人[25]2020寄生棘头虫针上的图案落后74<40平坦0.040S.Y.杨等人[23]2013光滑鲷（蠕虫）溶胀NA（水响应）基地280NA锥1.21±0.31（N/cm2），10× 10针阵列，1 cm2启彦Seong等人[70]2017光滑鲷（蠕虫）溶胀NA（水响应）基地250NA子弹形0.92±0.23（N/cm2），10× 10针阵列，1 cm2Y. 妈，X。Xiao，H.Ren等人表8仿生智能与机器人2（2022）1000648用于减少组织变形或应变的生物启发针参考年份灵感机制图案几何形状针径（μm）图案深度（μm）尖端特性Oldfield等人[73]和Leibinger等人[14]2014 Wasp相对运动NA 6000（Oldfield等人）; 4000（Leibinger等人）NA斜面(each分段）Li等人[51] 2020 Moscow相对运动，针头端向后倒钩槽口1000 500斜面Gurera等人[58] 2018 Moscow振动，针上的图案，锯齿状NA NA锥形材料梯度无倒钩针的拔出力为0.0017 N。Liu等人设想这种装置可用于将传感器锚定在人胃肠道粘膜区域内。另一种流行的方法，以增加粘附能力的针是使用倒钩的灵感来自蜜蜂。虽然一些学者专注于最小化针的穿透力，Chen等人研究了蜜蜂毒刺的拔出力，并开发了一种易于插入但难以取出的蜜蜂针[69]。Chen的创新是使用磁流变绘图光刻（一种增材制造工艺）来制造微针。针的几何形状为圆锥体，中段和尖端的直径分别约为200μm和10 μm。制造的蜜蜂针的拔出力达到0.073 N拔出力，而无倒钩针仅达到0.028 N拔出力。Chen等人认为，向后倒钩促进了与组织的机械互锁。Han等人还提出了一种具有向后倒钩的蜜蜂启发的微针作为其粘附机制[68]。通过数字光处理3D微印刷技术、投影微立体光刻和光固化聚合物中的交联密度梯度来完成制造。针体直径为400 μm，针尖为圆锥形，锥角为10度。最大拔出力每针5排倒钩为0.054± 0.007 N，无倒钩针实现的最大拔出力（0.003±0.001 N）约高18倍，均在琼脂糖凝 胶 中 进 行 当 针 插 入 鸡 肌 肉 组 织 时 ， 每 根 针 的 最 大 拔 出 力 为0.176±0.033N，显示出较强的粘附能力。2.4. 减少组织变形和应变由于软组织变形，常见的针插入技术可能变得非常不准确。图12示出了前列腺和周围组织变形导致不准确的活检，揭示了当前软组织活检方法的缺点。表4中列出了用于减少组织变形和应变的各种生物启发针设计。利用多段针设计的相对运动是减少由针插入引起的组织变形的流行方法之一。为了减少组织变形，Li等人介绍了一种由两个独立部分组成的蚊子针：外部中空套管和尖端带有向后倒钩凹口的针[51]。该设计采用相对运动机构。准备直径为1mm且倾斜尖端角度为23.5度的市售前列腺活检针，用金刚石砂轮磨出两个深度为0.5mm的鱼叉状切口，切口内针与外套管的相对运动直接模仿蚊子的运动，的增量运动在其长鼻插入。在蚊子激发的插入过程中，内针向前移动，而外套管向后撤回。然后，将内针向后拔出一点，并向前推动外套管，直至两段对齐。在周期结束时，这两个组成部分保持一定距离Li等人认为，增量运动产生的振动插入产生相反的力，以减少组织变形。插入测试确实表明，组织体模中跟踪点的位移减少，揭示了针减少组织变形的潜力（见图1）。 13）。在研究了蚊子唇的机械性能后，Gurera等人提出了一种通过在针上集成材料梯度的设计概念[58]。弹性模量和纳米硬度的蚊子唇增加整个唇从其尖端。另外，唇的侧面具有比中间区域更高的弹性模量和纳米硬度。古雷拉设想，开发的针头由一个盖子，一个麻醉剂分泌器，和锯齿状图案和材料梯度的针头组成。Gurera等人推测，柔软且顺应性良好的头端可减少变形，从而减少疼痛，但也会增加插入力。为了补偿插入力的这种增加，插入机构还包括振动致动。然而，所提供的针未经制造和测试。源于产卵器的相对运动机制也可用于减少组织变形。 其他研究人员没有控制指针转向，而是专注于减少 使用组织缓解以减少组织损伤并提高针放置准确性。Oldfield等人专注于在脑外科手术中使用生物激发针减轻组织应变[73]。 制造并测试具有四个互锁段的6mm直径的针。每一节都有一个斜面尖端，共同形成一个金字塔形状。针在明胶组织模体中进行往复运动试验：顺时针方向，每根针依次向前移动，行程长度为5 mm，这种循环运动连续进行，不休息。奥德菲尔德的理论是，往复运动允许固定针段周围的组织松弛，而其它段向前移动，并且与直接插入运动相比，这种往复运动确实减少了目标迁移或应变。类似地，Leibinger等人提出了一种新的复杂的相对运动机制，该机制是根据Frasson的工作开发的，与Oldfield的研究类似，Leibinger的四个针段在一个循环中顺序致动。然而，当一个节段以4mm的行程被向前推时，其他三个节段被向后拉。完成一次这个直径4毫米的四部分针头由Objet 3D打印机制造。所有四个节段均具有斜面尖端，斜面尖端角度为40度，并与四根镍钛合金丝连接用于驱动。在明胶组织体模中的插入测试表明，与直接插入方法相比，位移两项研究均旨在减少组织损伤，具有相似的目的，即降低插入力，如前所述。应该提到的是，由于组织的粘弹性和各向异性特性，应力和应变关系是复杂的[53]。Y. 妈，X。Xiao，H.Ren等人仿生智能与机器人2（2022）1000649表5生物启发针用于其他应用。参考年份激励机制模式几何针径（μm）图案深度（μm）尖端特性直径原型组件见图12。 融合的磁共振超声图像允许在前列腺活检中对特定病变进行目标采样。(a)目标前列腺保持在计划的路径上，针插入。(b)目前的针输送方法使前列腺变形并移动。(c)前列腺及其周围软组织的变形和移位在活检前将目标移开[51]。图十三. 具有振动的蚊式插入（MPI）针的结构和操作步骤旨在减少插入过程中组织的变形[51]。2.5. 其他应用表5中报告的几种生物启发针设计不属于在上面提到的类别。这些生物启发的针设计中的一些被开发用于改善针的流体输送并防止屈曲。欧洲真蝽的体表具有定向的微结构，可以单向运输防御性液体。通过这样的观察，Plamadeala等人在微针的表面上结合了臭虫基于Hischen等人的一些初步工作，Plamadeala等人制作了具有昆虫启发的三角形微结构的方形金字塔[77]。这些锥形微针具有210 μm的高度、160 μm的边长和10 μm的壁厚。双光刻，一种增材制造工艺，被用来实现微针，和光刻胶被用来生产微结构。V形微结构前沿阻止液体向后流动，确保单向输送。Plamadeala等人认为，该结构将有助于将药物货物均匀装载到针表面上，同时最小化制剂浪费。黄蜂的产卵器是一个非常细长的结构。该蜂产卵器的斯卡利等人制造了一种黄蜂启发的针，其工作机制与他以前的工作相似，解决针弯曲问题[75]。先前的设计略有改变，将针的直径改为0.8 mm，0.6 mm，甚至0.4 mm：用固定在尖端的一个节段上的薄壁收缩管代替针节段周围的互锁环。针的推进通过与他们先前的工作[ 17 ]中所述相同的推拉致动序列获得Scali等人认为，这种推拉机制减少了每个节段推入组织时的无支撑长度，从而降低了屈曲风险。此外，推进段的推力被其他退出段抵消，导致整个针的轴向载荷较小，并降低了屈曲的风险。在单层和多层体模中的插入测试是成功的。一项关于黄蜂灵感设计的最新研究集中在活检针上，该针旨在提取人体深层组织。Sakes等人针对基于抽吸的活检针在组织运输中的不可靠性提出了一种潜在解决方案引入的活检针原型由一个外管（7 mm）组成，该外管约束六个半圆柱形刀片，这些刀片由外径为类似于前面介绍的黄蜂启发的设计，针通过前进一个刀片并缩回其余刀片来利用往复运动，然后重复该过程。 在Sakes等人的研究中，引入了一种新的相对运动策略：推进一组叶片，同时后退其他叶片在组织明胶体模中测试的平均传输速率为2.19±1.14 mg/s。进一步的改进包括保持柔性刀片在适当的位置，并防止崩溃时，操作。3. 结论考虑到整个生物启发针研究组，很明显，当研究人员寻找生物启发针解决方案时，昆虫是研究最多的。大多数仿生针研究集中在通过复制在昆虫的口器或刺的表面上观察到的几何图案来减少在经皮治疗中经历的穿刺和插入力。在审查过程中，共识别出在针体上制造的六种关键几何图案。在调查的所有生物物种中，参照蚊子的生物结构和特征，是一个常见但成功的策略。研究中产生的大多数蚊子激发的针都很小，在15至250 μm之间，Plamadeala等人[74]2019欧洲真蝽针上的图案平倒刺210（棱锥底座边长）<10正方棱锥Scali等人[75]2019黄蜂6或3节段NA250或125（每段）NA平面（每段）萨克斯等人[76]2020黄蜂6个叶片NA500（每个刀片），5（mm）外部NA扁平（每个刀片）Y. 妈，X。Xiao，H.Ren等人仿生智能与机器人2（2022）10006410其属于微针组。值得注意的是，将蚊子的进食行为的方式（例如振动、皮肤拉伸以及唇和上颌骨的相对运动）与锯齿状或锯齿状针体相结合将进一步减小穿刺和插入力，从而产生更有效的解决方案。虽然这些蚊子启发的策略在许多研究中进行了调查，但找到最佳振动频率，选择适当的材料和制造技术，并设计用于实际医疗用途，如活检和药物输送将是有益的。与蚊子的研究相反有可能的空间，以发展生物启发针，包括更多种类的植物，如仙人掌和刺。本文所述的所有可操纵针都使用多段针设计，其具有由黄蜂的产卵器激发的相对运动。这些受黄蜂启发的针可以轻松地在组织体模中转向 ， Frasson 等 人 [59] 和 Burrow 等 人 [60] 的 两 项 研 究 中 均 达 到 了0.019mm−1的最大曲率。然而，它们使用多个子针妨碍了小型化。值得注意的是，与本研究中描述的其他应用相比，所研究的可控针体的尺寸最大（每个节段的范围为250 -12 000 μm）。即使Scali等人通过使用外部互锁机制成功地将单个针段尺寸缩小到250 μm的直径，但针难以控制，并且其性能在转向时不稳定[75]。对于这种七段针，需要更复杂的控制方法。此外，当针段直接暴露于组织时执行针段的转向相对运动，这可能对组织造成损伤。研究蜂针对组织的损伤，对今后的工作有一定的指导意义。而且 利用蚊子和黄蜂的生物结构相结合的混合机制将提供更有趣和创新的解决方案。针对第三大类生物启发针（以增强粘附能力），研究了两种主要的设计方法或实现：蜜蜂启发的针上图案和蠕虫发现的膨胀行为。图案都是倒钩由于使用传统的机械加工技术来制造这些图案显得相当困