基于树蛙脚掌湿黏附的仿生手术夹钳表面研究 | JME论文推荐
夹持是外科手术中最常见的操作方式。然而作为夹持对象，人体组织、器官一般较为柔软，且表面都覆盖一层湿滑的组织液，使得夹持固定组织器官非常困难。为使夹持可靠，传统手术夹钳表面多采用尖锐齿形，通过夹持使组织变形嵌入齿内，达到机械互锁提升摩擦的目的。该方式极易引起组织创伤、撕裂出血，引发严重的并发症和后遗症。例如，微创手术中，25%的胆囊穿孔多由夹持损伤引起；夹持引起的肠穿孔会带来20%的发病率和死亡率。现有解决策略主要通过融入压力传感器和以吸代夹的真空吸盘方式。融入压力传感器虽可控制夹持力，但无法解决夹持滑脱问题，而真空吸盘也难以处理一些较小或不规则的组织比如血管。因此，为降低组织夹持损伤，有必要发展一种低夹持力强摩擦的光滑表面替代齿形，达到“松夹而不滑脱”的效果。
树蛙经过数亿万年进化，其脚掌发展出了优异的强湿摩擦特性，可在湿滑表面上自由爬行。有别于鸟类尖爪，树蛙仅依靠软脚垫就获得强湿黏附、强湿摩擦特性，是低损伤手术夹钳的理想仿生对象。北京航空航天大学的张力文、陈华伟等通过对树蛙脚掌结构和摩擦力表征，发现了树蛙脚掌结构分布和接触面间液量对摩擦力的影响。以此为基础设计制造出仿生防滑表面，研究了不同液量、材料特性对摩擦力的影响，揭示了强边界摩擦产生机理。将不同结构仿生表面与传统手术夹钳表面对比测试，探索了结构对摩擦力的影响规律，对仿生表面结构进行了优化。最后对仿生表面和传统夹钳对软体组织的损害进行了测试，验证了仿生表面在夹持手术中的优异性。
传统手术夹钳采用尖齿形来提高摩擦力，夹持原理与鸟嘴、尖爪相似。而树蛙则依赖于它特殊柔软脚掌，能够在未有任何外加压力的情况下仍保持很强的摩擦力，轻松爬附于垂直的湿滑表面上。从SEM表征照片，可看出树蛙软脚掌表面是由密排列的棱柱体上皮细胞组成，棱柱之间存在狭长的沟槽，沟槽深约5 μm、宽约1 μm。细胞棱柱体形状多为六棱柱，占比超过55%，其余则为四棱柱、五棱柱和七棱柱。
树蛙脚掌结构表征
树蛙脚掌表皮细胞不同种类所占比例
为了揭示液膜、表面微纳结构与摩擦力之间的关系，根据树蛙脚掌的特征结构设计制造了仿生密排棱柱表面(1 cm × 1 cm)，以排除树蛙脚掌持续分泌粘液对研究带来的影响。基于以上研究，与其他棱柱结构表面和传统手术夹钳齿状表面相比，密排六棱柱表面在各个方向上都表现出了优异的摩擦性能，团队选择其作为仿生手术夹钳表面，并利用数控电化学腐蚀加工技术完成制备。传统手术夹钳由于其较大的尖齿结构，夹持过程中必然会形成较大的软体组织变形。
仿生手术夹钳制备
以低损伤夹钳创新设计为目标，师法自然，文中表征了树蛙脚掌的微纳结构特征，发现密排六棱柱结构是其表面的典型特征，且会释放粘液维持一层均匀液膜。脚掌结构在摩擦力连续测量下，界面液量由湿变干过程中，摩擦力会出现急剧增大的现象，即边界强摩擦。通过仿生表面的摩擦试验，发现仿树蛙脚垫结构会使液膜碎化，均匀铺展在表面上，而边界强摩擦正是由均匀液膜产生的极强表面张力引起的。除了边界强摩擦性能外，仿生表面结构在强摩擦性能维持时间上也比光滑表面更为优异。基于树蛙脚垫结构，提出了低损伤仿生夹钳设计方法，通过软组织夹持试验可看出仿生夹钳的摩擦力比传统齿形夹钳高约为20%，而且组织变形可降低数十倍。这些研究结论有助于提高人们对湿摩擦机理的认知，帮助设计出更优异的仿生湿防滑表面。
该文已刊登在《机械工程学报》2018年第17期，您可点击文后“阅读原文”下载浏览全文。
陈华伟，男，汉族，1975年4月生，工学博士，教授/博士生导师，机械制造及自动化系主任。2005年毕业于日本东京工业大学获得工学博士学位，曾获日本科学振兴学会JSPS学者、北京市特聘专家、2017年杰青等。担任中国机械工程学会生物制造分会委员、国际仿生工程学会会员等。
主要从事微纳仿生表面制造、界面微流体行为理论等方面的研究工作，聚焦于多学科交叉前沿研究领域，以解决航空航天以及军事装备的重大表面工程技术难题为目标，师法自然，从自然中汲取创新灵感，在揭示自然生物原型表面中首次发现了液膜单方向连续搬运及法向碎化均匀铺展新机制，发展出了梯度泰勒毛细升理论，提出了复杂微纳表面结构生物成形制造工艺方法，成功应用于无人机、复材蒙皮防冰以及精准医疗器械防粘防滑，发表了国内机械工程学科首篇Nature。近年主持并完成国家自然科学基金、军科委创新特区项目、总装预研等20余项，发表研究论文80余篇，其中近五年发表SCI论文30篇，获批专利10项，合著专著4部，主讲《微纳表面科学与测量技术基础》和《制造工程基础》等课程，指导硕士研究生、博士生30人次。入选2016年度中国十大新锐科技人物、北京市“教育先锋先进集体”等。
有一种合作叫做真诚，有一种发展可以无限，有一种伙伴可以互利共赢，愿我们合作起来流连忘返，发展起来前景可观。关于论文推荐、团队介绍、图书出版、学术直播、招聘信息、会议推广等，请与我们联系。
推荐阅读
版权声明：
本文为《机械工程学报》编辑部原创内容，欢迎转载，请联系授权！
在公众号后台留言需要转载的文章题目及要转载的公众号ID以获取授权!
商务合作：
联系人：张强
电话：010-88379891-2
E-mail：cjmezhang@126.com
网 址：http://www.cjmenet.com.cn
官方微信号：jmewechat