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医用高频电刀通过刀头尖端电弧放电并产生热量完成组织的切割和止血工作，是外科手术中的重要工具。在手术过程中，高频电刀温度过高会使血液和软组织脱水结痂甚至炭化，粘连并包覆刀头，进而对手术过程和医疗效果产生严重影响。为能够有效解决医用高频电刀表面的生物组织粘连问题，国内外诸多学者开展了电刀表面的脱附性研究，具有明显疏血、散热降温、抗组织粘附等效果的仿生脱附性医用高频电刀已成为该领域的研究热点和重要发展方向。
科研工作者陆龙生、李凯凯、谢颖熙、万珍平、丁焕文、张志辉和汤勇 在《机械工程学报》 2020 年第1 期 发表了《脱附性医用高频电刀的研究现状及发展趋势》 ( 封面文章) 一 文，按照现有脱附性医用高频电刀的结构特点进行归纳分类并详细介绍其研究和应用现状，着重介绍和分析仿生高频电刀的动植物脱附模型，总结国内外关于高频电刀表面脱附结构或涂层的制造方法，分析讨论目前脱附性医用高频电刀所存在的问题，最后对其未来的发展趋势进行展望。
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多步法制造医用高频电刀 LIS脱附表面
重要结论
脱附性医用高频电刀由于其特殊的疏血、抗组织粘附和抑菌等功能，在外科、微创手术等医疗领域具有非常重要的研究与应用价值。目前，脱附性医用高频电刀的研究重心逐渐向仿生学过渡，相关研究处于初步探索阶段，其相关理论未成体系，制造技术尚未成熟，同时制得的脱附性高频电刀缺乏临床试验，缺少临床试验数据指导。国内北京航空航天大学张德远、陈华伟教授课题组和吉林大学韩志武教授课题组在高频电刀表面生物组织脱附功能的相关研究已取得了阶段性进展，而国外相关研究报道较少。结合当前脱附性高频电刀的研究现状和应用需求，今后可从以下几个方面进行研究。
(1) 加强对多场协同作用下普通高频电刀手术中生物组织的粘附行为分析，为构建脱附性医用高频电刀提供理论支持。高频电刀在手术过程中表面同时发生着液体 (血液、组织液等流场 )和固体 (软组织、脂肪等 )的粘附行为 (粘附力场 )，两者在电刀表面的粘附机制存在着一定差异，同时所以需要分别对表面存在的液体和固体粘附机制进行探索；基于电刀高频放电 (电场 )加热软组织进行切割和凝血的原理，分析在工作温度下 (温度场 )电刀表面血液和软组织发生的形态和性质变化，产生结痂和粘附现象的成因；综合分析温度场、电场、流场和力场等变化所引起的血液、软组织在高频电刀表面接触粘附行为的变化，确定温度场、电场、流场及力场等与粘附力、粘附质量等参数的关系。
(2) 加强对猪笼草唇缘区超润湿表面模型的系统性研究。目前该模型是学者们采用到电刀表面最为普遍的，通过在多孔微结构中填入润滑油，隔离电刀与生物组织，达到减少血液、软组织粘附的目的。因此，润滑液在微结构中的保留程度对刀具的脱附性能具有很大影响，通过分析、建立合理的微结构模型可以最大程度保留或输送润滑液，增强电刀的耐用性。此外，还须考虑手术时切割组织时的压力问题，压力过大会将生物组织挤入微结构中，影响电刀防粘脱附性能。
(3) 针对高频电刀的脱附性研究，可加强对仿生微结构模型的电、热力学性能研究。高频电刀主要通过刀尖放电并形成高温，用于组织切割及止血。不合理微结构的引入，会造成电刀温度分布不均，易造成组织高温灼烧、创面畸形、表面切割阻力增大等问题。因而，研究高频电刀表面微结构的电、热力学性能具有重要的指导意义。
(4) 寻求合理的脱附微结构或涂层的制造方法，发展新的、绿色的制造工艺。当前各类仿生结构的制造方法以工业应用居多，而仿生脱附性医用高频电刀应以人为本，寻求和发展绿色环保、无毒无菌无害的原材料、制造方法和工艺条件等是保证脱附性高频电刀品质的重要因素。
(5) 探索新的仿生脱附理论模型。大自然是神秘的，为我们生活、生产中的问题提供了许多行之有效的解决方案。师法自然，探索新的仿生脱附模型，可为仿生脱附性高频电刀的相关研究及应用开辟新的路径。
(1) 自然界具有优异脱附性能动植物的相关研究成果，不仅为构造医用高频电刀表面脱附结构或涂层提供了理论指导，而且引领脱附性医用高频电刀的相关研究步入了新的发展方向。可以预见，今后的脱附性高频电刀研究仍会以自然界的仿生脱附模型为重点，推动相关理论和技术进行创新。
(2) 目前医用高频电刀医疗市场占有率很高，且手术过程中血液、软组织粘附问题突出，研究和开发具有脱附功能的医用电刀，是解决该问题的主要方法。
主创简介
陆龙生，男， 1981年出生，博士，华南理工大学教授，博士研究生导师。现为华南理工大学机械与汽车工程学院副院长，广东省功能结构与器件智能制造工程实验室主任，中国刀协切削先进技术研究分会中南分会委员，中国机械工程学会高级会员、国际仿生工程学会会员，华南理工大学机械制造及其自动化学科秘书。入选 “广东特支计划 ”科技创新青年拔尖人才、广东省高等学校优秀青年教师、广州市珠江科技新星专项、广东省 “千百十 ”人才工程校级培养对象。主要从事微结构先进制造方法及其在传热传质中的应用研究工作，主持承担了各类科研项目十余项，其中国家自然科学基金 3项，省部级 6项；在国内外专业期刊上发表 SCI/EI收录论文 80余篇，其中第一或通讯作者 SCI收录论文 37篇，授权专利 148项（发明专利 45项）。曾获 2016年国家科技进步二等奖（排名第 4）、 2013年广东省自然科学二等奖（排名第 4），第五届中国青少年科技创新奖。目前担任 Carbon、 Corrosion、 Energy conversion and management、 Materials & Design、 Ceramics International、 International journal of hydrogenenergy、 Internationaljournal of advanced manufacturing technology、 Journal of ceramic science and technology、 Experimental thermal and fluidscience、 Surfacereview and letters、 Advances in mechanical engineering、 Journal of thermoplastic composite materials、 Indian Journal of Engineering &Materials Sciences等期刊的特邀审稿人。
李凯凯，男， 1996年出生， 2018级华南理工大学机械与汽车工程学院硕士研究生，主要研究方向为表面功能结构制造。
谢颖熙（通讯作者），男， 1989年出生，博士，华南理工大学副教授，硕士研究生导师，广东省功能结构与器件智能制造工程实验室副主任。主要从事先进表面功能结构制造、先进电子器件制造、先进纳米材料制造等相关研究。承担和参与国家重点研发计划、国家自然科学基金等国家 /省部级项目十余项。至今在机械工程学报、 Nature communication、 ACS Applied Materials & Interfaces、 Carbon、 Journal ofMaterials Processing Tech.、 Materials & Design、 Scientific Reports、 Materials Letters 等刊物发表论文 30余篇，获专利授权 20余项。担任 Carbon、 Materials & Design、 Materials Letters等国际期刊审稿人。
万珍平，男， 1971年出生，博士，华南理工大学教授，博士研究生导师，主要研究方向为现代加工理论与技术、面向节能与新能源绿色制造。近 5年来，在 Mat SciEng A-Struct、 Precis Eng、 JMicromech Microeng、 Chem Eng Sci、机械工程学报等国内外权威期刊上发表论文 50余篇，其中 SCI收录 37篇，以第一或通讯作者发表 SCI收录论文 23篇，论文他人引用总次数 368次，其中单篇引用最高 63次 ;获得授权发明专利 16项。 丁焕文，男， 1965出生，博士，教授，现为华南理工大学附属医院骨科主任医师。主要研究方向为数字化骨科修复技术、 3D打印医疗器械研究。参与 973计划、全军十五科研规划项目等 10余项；以主要完成人获军队科技进步二等奖等省部级以上科技奖励 6项。 张志辉，男， 1976年出生，博士，吉林大学教授，博士研究生导师。主要研究方向为工程仿生、金属复合材料制备与应用研究。
汤勇，男， 1962年出生，博士，华南理工大学教授，博士研究生导师。 “广东特支计划 ”杰出人才，广东省 “千百十 ”工程国家级培养对象、国务院政府特殊津贴专家、丁颖科技奖获得者、广东省自然科学基金创新团队负责人。主要研究方向为表面功能结构加工、储能器件微纳制造等。发表 SCI索引论文 150余篇；承担国家自然科学基金重点项目、 973计划、财政部重大专项、广东省战略新兴产业专项、广东省应用专项、粤港关键领域重点突破项目等 40余项，授权发明专利 50余项；以第一完成人获国家科学技术进步奖二等奖 1项、中国专利优秀奖 1项、广东省科学技术奖一等奖 2项。 技术1：提 出高性能微热管复合毛细芯的优化设计及成套制造理论
研究背景： 微热管导热能力是同种壳体材料的上百倍，在高热流密度热控制领域应用广泛，然而其成套制造方法涉及热物理、机械、材料、化学等多学科交叉知识，一直缺乏系统的研究。毛细芯是微热管的核心部件，其结构跨尺度复合化后综合性能优异。然而，复合毛细芯在两相流传热条件下的传热传质行为定量观测和综合评价手段缺乏，优化设计和制造的系统方法相对不足。工作创新： 实验室团队在微热管的封装技术、毛细芯设计与加工、管端冷焊封口、产品质量检测以及后端应用等方面，构建了系统的制造方法和理论体系。创新地提出了微热管灌注抽真空—二次除气封装方法，完全改变了传统的抽真空灌注方法，使得封装时真空度由传统的<10-3 Pa提高到10 Pa，封装工艺和装备要求显著降低；提出了复合毛细芯性能的综合评价方法和红外可视化监测方法，优化了毛细芯的综合毛细性能，解决了复合毛细芯性能评价科学难题；基于内沟槽铜管受压时的塑性变形规律，提出了管端冷焊封口方法。技术贡献： 该工作构建了一套相对完善的、具有自主知识产权的微热管设计、制造、检测及性能评价的方法和理论体系。项目相关成果，已在多个行业著名企业转化，包括世界精密铜管制造领军企业——广东龙丰精密铜管有限公司（金龙集团最大全资子公司）、微热管民营优势企业——广东新创意科技有限公司，制造的产品正推动着格力、美的、三星、三雄极光等企业的技术进步，近2年仅精密铜管一项就实现直接销售收入4.28亿元。该方向的整体科研成果——复杂表面热功能结构形貌特征设计与可控制造关键技术，获得2016年国家科技进步二等奖。
技术2： 提出基于跨尺度表面功能结构修饰的高强度碳纤维超级电容特种制造方法及理论 研究背景： 可穿戴电子设备是目前学术和产业研究的前沿和热点，具有超级电容功能的智能纺织物是解决其供能问题的有效途径。传统纺织物常采用化学纤维，不导电；金属纤维，其质量密度往往超出了便携的范畴。碳纤维强度高、密度低、导电和导热，作为超级电容，仍面临着提升储能密度和降低制造难度的科学难题。工作创新： 实验室团队搭建了单根纤维共轴结构超级电容器的设计方法及性能仿真模型，得出了新型超级电容器的最优结构。采用电沉积法，在碳纤维内层沉积MnO2/Polypyrrole亚微米内电极薄层，然后采用浸镀法分别涂覆微米厚度的中间电解质层和多壁碳纳米管结构层，制造的共轴超级电容，直径<13μm，拉伸强度> 1 GPa，单位体积能量密度达到2.7 mWh/cm3 ，功率密度达到13 W/cm3 。 技术贡献： 实验室团队制造的超级电容，是目前文献报道的基于单根纤维的最小尺寸超级电容器，储能密度高，强度大，柔性可编织。相关制造方法，在可穿戴电子设备领域具有良好的应用前景，将丰富智能制造多学科交叉理论体系。该方向的研究成果，是碳纤维的创新应用，是特种制造方法及理论对微型传感、超级电容等新兴领域的科学问题的有益解决。相关理论与技术的研究已引起了国内外众多科研机构和工作者的关注。已与美国加州大学伯克利分校（合作论文2篇）、旧金山州立大学（合作论文1篇）、宾夕法尼亚大学（合作论文1篇）等国际著名高校达成合作。2017年，实验室团队先后受重庆大学光电工程学院贺学锋教授团队、成都电子科技大学光电信息学院蒋亚东教授（长江学者）团队、西安交通大学精密工程与光学测试技术研究所蒋庄德院士团队、厦门大学物理与机电工程学院副院长孙道恒教授团队邀请，进行了碳纤维微细电极及超级电容方面学术交流，将为该方向成果的创新性应用提供广阔空间。
技术3 ：发明高柔性超薄短切碳纤维电磁屏蔽复合材料优化设计及热压成型方法 研究背景： 高柔性超薄电磁屏蔽材料在可穿戴设备、精密电子设备和电磁隐身装备等领域应用广泛。传统电磁屏蔽材料以金属薄板或金属纤维编织为主，密度大、吸波能力弱。超薄复合材料比强度高、成型工艺高效，然而往往导电率低，电磁屏蔽功能低效。因此，比强度高、柔性大、电磁屏蔽效能突出，成为了电磁屏蔽材料研究必须克服的矛盾综合体。工作创新： 发明了高柔性超薄短切碳纤维电磁屏蔽复合材料优化设计及热压成型方法。提出跨尺度表面电磁屏蔽功能结构，构建了以短切碳纤维为宏观骨架、以跨尺度表面功能结构为微观支路的高效电磁屏蔽网络；利用PC-碳纤维毡-PC的三明治夹层结构和碳纤维毡多孔结构的协同作用，实现了应力应变载荷在碳纤维-PC基体之间高效传递；协同结构参数、热压参数，优化了材料的电磁屏蔽效能。技术贡献： 该方向制造的 0.3 mm 厚超薄复合材料，电磁屏蔽效能达到 72.7 dB ，远超民用商业标准 >15~20 dB ；拉伸强度高于 70 MPa ；机械鲁棒性良好，经反复折弯 5000 次后，电磁屏蔽效能衰减低于 10% 。由于 PC 薄膜具有热塑性，该材料可采用多块层叠热压，根据设计需求对机械性能、电磁屏蔽性能进行动态组合，可移植性强。相关研究，发展了一种新型的电磁屏蔽材料，将促进可穿戴电子设备的发展。
该方向整体技术，引起了广州赛奥碳纤维技术有限公司的极大兴趣，先后和实验室签订了三份技术开发合同，并成功搭建了生产速率>50 m/min、年产达200吨的短切碳纤维中试生产线，由此开发了短切碳纤维系列产品、短切碳纤维复合材料。相关产品已经被金发科技股份有限公司（亚太第一、全球领先的新材料企业）采用，相关碳纤维复合材料颗粒料已经推向了市场。
编辑： 恽海艳 编校： 向映姣
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