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要在微型物體增強結構,液體凝結為固體,或許是最佳方式。

要在微型物體增強結構,液體凝結為固體,或許是最佳方式。Credit: kevin dooley@Flickr CC BY 2.0

結構設計

前幾天蘇迪勒颱風帶來了歪腰郵筒正夯,在大家好奇拍照之餘,也突顯產品結構設計的良窳,著實影響產品的功能和環境使用上的可靠度。而醫療產品的設計,更是需要嚴謹,因為每次的使用都關係著生命。例如說,不夠堅韌的針頭,就很可能在使用時斷在生物體內。

微型針電極陣列

微型針電極陣列(矩陣型的微型針)的技術,也就是使用細長的針,穿透腦殼,進行電生理訊號研究、藥物釋放和光基因治療,已經越來越多應用。然而,這種侵入式的醫療,為減少腦部傷害,所以針頭的直徑是越小越好;卻又要顧慮到整支針因應腦部組織機械性質不同,必須有相當的彈性;要能深入腦殼進入腦組織,針的長度要夠長,如何能設計同時滿足以上需求的微型針呢?

結構挫曲,增加強度

如果是相同的彈性材料和直徑,針的長度越長,在施力穿入腦殼時,很容易產生挫曲(buckling),也就是整個針彎掉或者甚至折斷;然而相當長度的針,在使用上為穿透腦殼組織是有需要的。日本「豊橋技術科學大學」(Toyohashi University of Technology)的研究人員設計製作了一個使用方法,能夠暫時性地增加微型針的「勁度」(stiffness,抵抗變形的能力),適用於高長度和直徑比的微型針,直徑可小於5微米(µm),長度大於500微米。這個使用方法是將微型針的末端埋入液態的「蠶絲蛋白」(silk fibroin)中,再等待一天後讓它乾掉固化,微型針的尾端成了塊狀,結構強度增加,所以在施力穿入生物組織時,不容易產生彎曲或挫曲的現象(點這裡看圖片)。蠶絲蛋白是一種高度生物相容性材料,和生物體接觸後會溶解,所以醫師在使用微型針時能持續穩定地進入目標區域。

優於表面塗層的方式

另外,也有科學家設計在針頭表面,加上具有相生物相容性、遇生物組織即溶解的塗層,來增加結構強度。這種以塗層增加結構強度的方式相當常見,不少產品都有這樣的設計。然而,表現上塗層的方式會增加針頭的直徑,也就是加大侵入人體的傷口;此外,塗層的材料在使用過程,溶解在生物體內的量也較前述只加強基座勁度的方式多。

驗證設計結果

研究團隊除了以理論計算結構勁度以外,也就此技術將螢光顆粒注入實驗鼠腦部,再由螢光顯微鏡來觀察,以證明應用生物相溶性材料,加強微型針尾端勁度,將藥物帶入腦部深層組織的方法是可行的。將微型針埋尾端埋入蠶絲蛋白方法很簡單,但這項技術開發,讓這種微針進入生物組織做治療或診斷的方法,進入到實用階段。

文章參考:EurekAlert!
圖片來源:kevin dooley@Flickr  CC BY 2.0
原文參考:Advanced Healthcare Materials


作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。