【CJME论文推荐】广东工业大学王成勇教授团队：生物软组织加工技术研究进展

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引用论文

Liu, Z., Liao, Z., Wang, D. et al. Recent Advances in Soft Biological Tissue Manipulating Technologies. Chin. J. Mech. Eng. 35, 89 (2022). https://doi.org/10.1186/s10033-022-00767-4
https://cjme.springeropen.com/articles/10.1186/s10033-022-00767-4‍(戳链接，下载全文)

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研究背景及目的

生物软组织加工，包括传统（机械）和非传统（激光、水射流和超声）方法，是大多数手术中不可或缺的操作。然而，软组织具有高粘弹性、各向异性、热敏感性和生理活性，给加工带来较大的困难。近年来，为了提高手术器械的性能，减少手术引起的组织损伤，越来越多的学者开展了对生物软组织的加工研究。然而，目前还缺乏关于生物软组织加工技术最新进展的相关综述。这篇论文综述了外科手术中常见的软组织加工技术，包括机械、激光、水射流和超声切割，以及吻合与重建过程，并突出了它们的可控去除机制以及表面及亚表面损伤。

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主要结论

（1）不同软组织的组成和结构存在差异，这对软组织的操作产生重要影响。弹性纤维和胶原纤维在软组织中的分布影响着软组织的裂纹扩展和切割。细胞间的界面或垂直于纤维的方向是微裂纹的衍生和扩展的方向。软组织对热损伤更为敏感，且不同软组织存在一定的差异。‍‍

图1 生物软组织断裂机理

（2）目前的研究主要集中在软组织机械切割过程中的组织变形、切割力建模和组织损伤等方面，特别是用针刺穿皮肤和肝脏。切割力模型有助于实现手术机器人系统和虚拟现实手术训练系统的机械反馈。然而，值得注意的是，目前对生物软组织切削机理与生物软组织微观结构中裂纹扩展之间的关系研究较少，缺乏科学的解释。

图2 生物软组织机械加工方法

（3）在大多数研究中，机械切割软组织造成的损伤相对较小，但仍有生物组织损伤，如细胞凋亡、出血、组织缺失和变形等。目前，对软组织损伤的研究仍处于观察阶段，目前尚无相关文献对其引起软组织损伤的机制进行研究。此外，在机械切割过程中还应考虑对生物体生理功能的影响，如液体沿脑组织穿刺路径回流。已观察到切割软组织后，刀具微观结构存在断裂磨损，但切割软生物组织后的刀具磨损机理和因素尚不清楚。刀片磨损是影响手术器械重复使用的重要因素。

图3 生物软组织机械加工损伤

（4）在激光消融软组织时，表面损伤通常表现为一种综合现象，包括：细胞肿胀、退化为液态、细胞结构丧失（凝结），以及组织过热引起的碳化。激光切割软组织有两种主要的切割机制。在长脉冲连续波激光切割中，主要是由热效应引起的烧蚀机制，由于水爆炸过程中引入的冲击波，可以发现高的表面和亚表面损伤。在超短脉冲激光消融软组织的材料去除机制主要是等离子诱导消融，即组织内的水被快速加热，从组织中喷射而出，热量扩散到周围区域，从而产生最小的表面损伤。

图4 生物软组织激光加工原理

图5 生物软组织水射流加工原理

（5）超声切割器械简化了困难的手术操作，结合抓握、切割和凝血，减少了组织损伤，改善了手术视野，并结合了集成工具和术中设备更换，降低了成本和时间。软组织对超声振动的主要影响是机械剪切效应、热效应和声空化，而次级效应包括流动。

图6 生物软组织超声加工原理

（6）吻合与重建是恢复正常生理结构和功能的重要手术方法。虽然机械吻合器被广泛应用于连接生物软组织，但基于能量的吻合技术，如射频组织焊接技术，可以在不需要额外材料的情况下进行操作，也受到越来越多的关注。此外，由于没有多余材料留在体内，能量焊接方法表现出无排斥和无炎症的显著优势，可以促进术后愈合过程。

图7 生物软组织焊接

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前景与展望

近半个世纪来，外科手术技术的进步极大提高了临床治疗能力。先进的手术技术，如微创、植入\介入和机器人辅助手术快速发展，为患者带来了福音。外科手术技术的基础是生物组织的加工与操作，是工程科学与临床科学的交叉融合。本文重点介绍生物组织的切割理论、方法、工具和设备，希望本论文能够吸引更多的跨学科研究，从而促进医疗器械的发展，促进外科手术技术的进步，改善临床治疗和康复实践，造福人类。

相关文章/图书推荐

[1] Chen Z, Zhang Y, Wang C, et al. Understanding the cutting mechanisms of composite structured soft tissues[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2020, 161(3):103685.[2] Yue Z , Rl D , Lei C E , et al. Advances in machining of hard tissues - From material removal mechanisms to tooling solutions. 2021.

[3] Liu Z, Chen H , J Sui, et al. Failure behavior and influence of surgical tool edges in soft tissue cutting[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2021, 68:69-78.

团队带头人介绍

王成勇，广东工业大学副校长（2011年-至今），教授（二级）、博士、博士生导师，国务院政府特殊津贴专家，入选2022年度全球前2%顶尖科学家榜单。现任广东省微创手术器械设计与精密制造重点实验室主任、广东省印制电子电路制造工程技术研究中心主任、广东高校现代产品设计与制造技术实验室主任、国家医疗保健器具工程技术研究中心骨科手术器具及牙科设备制造联合工程实验室主任。兼任教育部高等学校机械类专业教学指导委员会委员、广东省本科高校机械类专业教学指导委员会主任委员。广东省精准医学应用学会主任委员、广东省生物医学工程学会常务理事、骨科临床与材料专业委员会副主任委员、医疗器械专业委员会副主任委员、机械工程一级学科博士点广东省重点学科“机械制造及自动化”负责人；广东省本土创新团队核心成员（排名第二）；广东省机械工程学会副理事长；中国高校现代制造技术研究会理事；《中国机械工程》（中英版）杂志编委、生物制造专栏主编；曾担任CIRP-BioM、ICFDM、ISSAT、IMCC等若干国内、国际会议学术委员会或组织委员会委员；多次担任国际会议主席；International Committee for Abrasive Technology创会会员；国家自然科学基金重大、重点、杰出青年基金项目通讯评审专家；出版CIRP生物制造专辑一本；受邀撰写国内首部《常用医用刀具》，并参加《医疗器械蓝皮书-中国医疗器械行业发展报告》编撰。近年来的研究主要涉及生物组织切除理论与医疗器械设计和制造领域；主持完成国家自然科学基金项目12项（其中重点项目3项）、国家重点研发计划课题等国家、省部级以及企业委托项目多项；主持和组织举办国际性的2019年“第四届CIRP生物制造会议”，创办并连续举办“医疗器械制造技术及其临床应用学术研讨会”7次及其他国际国内会议若干次，参办连续性国际会议多次。极力推动产学研医交互融合，积极与国内多家医院、科研机构和企业开展深度合作，部分成果获得医疗器械注册证，相关产品在广东省内多家医院临床应用。获2019年度国家科学技术奖二等奖（排名第一），2018年度中国机械工业科学技术奖一等奖（排名第一），广东省科学技术奖一等奖（科学技术进步类，排名第一），广东省科学技术奖二等奖（自然科学类，排名第一），广东省机械工程学会科学技术奖特等奖1项（2020）、广东省机械工业科学技术奖一等奖3项（2020）；获广东省丁颖科技奖（2021）；共发表论文282篇，论文他引870次，H-index 15.0；授权发明专利80余项。

团队研究方向

近年课题组发表文章

[1] Yue Z , Rl D , Lei C E , et al. Advances in machining of hard tissues - From material removal mechanisms to tooling solutions. 2021.

[2] Liu Z, Wang C, Chen Z, et al. The advance of surgical blades in cutting soft biological tissue: a review[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021: 1-16.

[3] Chen Z, Zhang Y, Wang C, et al. Understanding the cutting mechanisms of composite structured soft tissues[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2021, 161: 103685.

[4] Du C, Wang C, Sui J, et al. Enhancing Staphylococcus aureus sterilization of stainless steel by the synergistic effect of surface structure and physical washing[J]. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2021, 197: 111393.

[5] Liu Z, Chen H , J Sui, et al. Failure behavior and influence of surgical tool edges in soft tissue cutting[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2021, 68:69-78.

[6] Liu Z , Wang C , Chen Z , et al. The advance of surgical blades in cutting soft biological tissue: a review[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021, 113(4).

[7] Liu Z, Sui J, Chen B, et al. Study on cutting force of reaming porcine bone and substitute bone. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. September 2021. doi:10.1177/09544119211043758.

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作      者：刘元铭责任编辑：谢雅洁责任校对：向映姣审      核：张   强

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