"经皮介入治疗中的生物激发针研究进展"

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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

，肖晓

b，

任宏亮

，Max Q.-H. 孟

乙，1

美国加州大学伯克利分校机械工程系

南方科技大学电子电气工程系，深圳

518055

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

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

2.4

mm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]

。

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

月

日

;

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2022

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年

月

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仿生智能与机器人学

期刊主页：www.elsevier.com/locate/birob

妈，

。

Xiao

，

H.Ren

等人

仿生智能与机器人

（

2022

）

100064

Fig. 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。

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

妈，

。

Xiao

，

H.Ren

等人

仿生智能与机器人

（

2022

）

100064

表

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

（外针）

图三

详细观察蜜蜂启发的针的表面（

）针体表面上的倒刺图案模型（

）倒刺表面图案的

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85

μm。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90~200

μm，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

。

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

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

350

锥

Oka等人[37]

2001

蚊子

针上的图案

锯齿状

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

508

没有提到

杨等人

[41]

2004

蚊子

振动

没有提到

Izumi等人[42]

2009

蚊子

振动、相对运动、针

倒钩

30（中心针），15

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

60–140

平坦

Sahlabadi

等人

[45]

2018

蜜蜂

针上的图案

直角倒刺

1000–3000

100–500

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

平头圆锥

Sprang

等人

[47]

2016

黄蜂

相对运动

2000

1/4圆锥（每段）

Das等人[48]

2018

黄蜂

相对运动，材料梯度

锥

Cho

等人

[49]

2012

豪猪刺

针上的图案

倒钩

没有提到

50–100

锥

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