静脉注射针的高度僵硬会导致组织损伤，并增加通过意外针头传播血液传播病原体的风险。在这里，韩国科学技术院Jae-Woong Jeong/Won-Il Jeong团队描述了一种静脉注射针的发展和性能，它的硬度和形状取决于体温。针头足够硬，可以插入软组织，但插入后会变得不可逆转地灵活，适应血管的形状，并减少移除时针头损伤的风险。在小鼠身上，这种针头具有类似的液体输送性能，并且比类似尺寸的商业静脉注射设备引起的炎症要少得多。还表明，集成了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。体温敏感型静脉注射可能会改善患者的护理。该研究以题为“A temperature-responsive intravenous needle that irreversibly softens on insertion”的论文发表在《Nature Biomedical Engineering》上。
【P-CARE针的设计、材料和操作】
图1a显示了P-CARE针的示意图。针的各种部件可以分成两部分：(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。镓是开发可变硬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和改善患者的福利，可以将薄膜温度传感器嵌入针头中，以监测现场温度。P-CARE针的硬度和形状可以调整。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，针变得柔软而顺从。图1c显示了这种刚度调节特性，以及即使在柔软、高度变形的状态下也能可靠地输送流体的能力。
在刚性模式下，针可以刺穿生物软组织。然后，由于局部组织温度，针头变得柔软，可以动态适应组织变形，同时可靠地输送液体。同样的静脉注射针在使用后是完全柔软的，使其完全不可重复使用。静脉注射针头的这些进展不仅加强了静脉注射的患者护理，还降低了通过意外针头损伤和不道德的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。硬质P-CARE针可以在室温下穿透软组织合成组织，并且针在软组织体模内时会变软(~37°C)。此外，软化的针能适形地适应组织的变形，而不会有损伤静脉的风险，这是商业IV不锈钢针头和导管无法做到的。具有卓越的组织适应性的硬度调节是P-CARE针的一个独特功能，它克服了传统静脉注射进入装置的基本限制，这些装置具有固有的高和固定的硬度，并且可能导致注射部位的组织损伤，特别是当患者移动时，因为刚性针和软组织之间的巨大机械不匹配。
图1|P-CARE针头的设计和工作原理
【P-CARE针的热和机械特性】
了解P-CARE针的热行为对于确定设备的刚度变化特性至关重要。图2a-c显示了P-CARE 针对模拟生物组织环境(~37 °C)的温度的热响应。插入猪肌肉组织模型(~37°C)的最初坚硬的 P-CARE针由于镓结构的液化而变得柔软。根据相变图测量，当P-CARE针暴露在37℃时，大约需要60秒才能转变为软态，相变过程中体积变化可以忽略不计。镓基针的刚性到软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P-CARE针的刚度调节能力。刚性模式下的P-CARE针具有较高的弯曲刚度，与商业IV导管，确保软组织插入。当转换为软模式时，刚度显着降低，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P-CARE针的组织穿透能力，该研究配制了人造组织模型，以产生静脉的杨氏模量。图2h显示将刚性P-CARE针插入单块组织体模，表明针在插入期间和缩回后没有明显弯曲。请注意，静脉的弹性模量与角质层下方的生物组织层的弹性模量重叠。该演示表明，刚性针可以刺穿角质层下方的静脉和组织层，而没有弯曲的迹象。根据这些结果，刚性P-CARE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。
该研究还研究了P-CARE针的整体功能及其在静脉注射药物中的潜在用途，该模型使用具有模拟生物组织(约 37 °C)的静脉孔结构的合成组织模型。在环境条件下，针头很硬，可以穿透组织模型，但在插入后会变软，同时输送液体。软模式下的同一根针可以动态适应组织变形，而不损坏静脉并持续输送液体。
图2|镓基P-CARE针的热学和机械特性
【体内生物相容性研究】
该研究通过将样品装置植入小鼠右腿肌肉中来评估P-CARE针的生物相容性。结果表明，与不锈钢针和商用IV导管相比，P-CARE针具有优异的生物力学相容性，因为软化的P-CARE 针能够适应性地与周围组织接触。此外，P-CARE针能够减少炎症与不锈钢针相比，其损伤程度与商业IV导管相当。总体而言，这些结果表明，与同等尺寸的商用静脉注射装置相比，P-CARE针具有增强的生物相容性。
图3|P-CARE针头在小鼠体内生物相容性的体内评估
【液体输送的体内评估】
为了评估P-CARE针在体内的插入和液体输送性能，在小鼠身上进行了实验。简而言之，在通过剖腹手术暴露肝脏之前将小鼠麻醉，然后将针插入下腔静脉。证明了P-CARE针能够在小鼠体内使用原位封闭肝脏灌注来刺穿软组织并在体内注入液体。为了进一步验证P-CARE针的液体或试剂输送功能，评估了原位封闭肝脏灌注回路中对乙醇给药的反应。显示了P-CARE针与商业IV导管类似的良好的液体输送功能，因为与注射乙醇类似，小鼠肝组织中代谢酶细胞色素P450 2E1 (CYP2E1)的mRNA 水平增加。小鼠肝组织H&E和CYP2E1 染色切片的图像证实了P-CARE针与商业IV导管作为小脂滴(H&E染色)具有同等的生物相容性液体输送能力。这些结果验证了P-CARE针的体内液体输送能力与商业IV导管相当。
图4|P-CARE针头与商用静脉导管的体内液体输送效果
【静脉注射期间潜在的现场温度传感】
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P-CARE针集成，以方便监测核心体温或检测治疗药物渗漏到皮下组织中。带有蛇形结构传感元件的金薄膜战略性地位于刚性P-CARE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在商用温度传感器不适合的关键位置实现无缝接口。研究结果表明，具有热传感能力的P-CARE针可用于监测输液过程中的现场温度，有可能用于监测核心体温或治疗药物渗漏到皮下组织中。
图5|与温度传感器集成的P-CARE针的潜在用途
【小结】
总之，该研究描述了设计刚度可调的智能针和医疗工具的基础知识，这些工具可提供增强的生物力学兼容性和使用后的安全处理功能。该装置可应用于许多其他具有临床意义的环境。此外，它们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。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41551-023-01116-z
