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        科學普及

        【第二屆分省院科普征文大賽作品展示】打針為什么不太疼?仿生注射來顯能

        發表日期:2020-04-17來源:放大 縮小

         (第二屆分省院科普征文大賽 二等獎 陜西省動物研究所 寧碩瀛 )

            生病,在現實生活中是再平常不過的事情。但對許多人來說,到醫院打針卻是一件令人發怵的事情,而且對于需要長期治療的患者更是談“針”色變。無論是皮試、肌肉注射還是打吊瓶,其痛感都會讓人們眉頭微緊,更有甚者自覺難以釋懷。

          近年來,隨著科學技術的不斷進步,醫療技術飛速發展。不知什么時候,我們發現打針似乎不那么疼了???這究竟是怎么回事呢?其實,這都得益于人們向“昆蟲老師”虛心學習,對注射器針頭進行改良設計,提高了藥物注射時的舒適度,使人們對“疼”的感覺不那么敏感了。
          疼痛是如何產生的?
          痛覺(Pain)是動物的生理本能,指機體收到傷害性刺激時,產生的不愉悅的感覺,伴隨著情緒變化和防御反應。根據注射位置不同,注射方式主要分為皮內注射、皮下注射、肌肉注射和靜脈注射。
        不同注射方式示意圖
          注射疼痛屬于典型的刺痛,一般來說,除去心理因素的影響,指皮膚或皮下軟組織受到針頭插入或摩擦刺激后引起的創傷性疼痛。研究發現,在人體表面1cm2的皮膚上,密布著多達200個觸壓覺感受器,即各種各樣不同的神經末梢,比如梅克爾盤、邁納斯小體、環層小體、毛囊感受器、魯菲尼終末和游離神經末梢。當皮膚受到針頭刺激時,這些感受器就像“電源開關”一樣,讓我們“嘭”的一下疼的眉頭緊鎖,手心出汗。
           
        皮膚表面不同觸壓覺感受器解剖形態
          通常情況下,每當病人哆嗦著描述自己“怕疼”時,醫生們多數只會說“換一個細針頭”或者“慢點兒打”,憑借減少單位時間內的給藥量來稍稍減輕疼痛。當然,這僅是“治標不治本”,并不能從根本上緩解患者的痛苦。
        各式各樣的注射針頭 
        A:不同規格;B:各種類型  
        昆蟲的“嘴巴”有哪些?
          口器(Mouthpart),顧名思義,是指昆蟲的“嘴”。由于昆蟲食性非常廣泛,經過幾十億年的不斷進化,昆蟲口器由最原始的咀嚼式口器逐漸演化出多種不同類型。其中,常見的類型主要有5種,分別為咀嚼式口器(如蟑螂、蝗蟲)、舐吸式口器(如蒼蠅)、嚼吸式口器(如蜜蜂)、虹吸式口器(如蝴蝶)和刺吸式口器(如蚊子)。除此之外,昆蟲口器中還有3種其它特化的類型,如銼吸式口器(薊馬特有)、捕吸式口器(如蟻獅、蚜獅等脈翅目幼蟲特有)和刮吸式口器(雙翅目蠅類幼蟲特有)。
        咀嚼式口器(蟑螂)  

        舐吸式口器(蒼蠅)

        嚼吸式口器(蜜蜂)

        虹吸式口器(蝴蝶)

        刺吸式口器(蚊子)
        蚊子的“口針”
          談到蚊子,我們都知道它非常討厭。每到夏天時,耳邊的“嗡嗡”聲總讓人們覺得很煩躁??闪钊艘馔獾氖怯捎谖米拥摹白臁遍L得像針一樣,其口器結構形態反而成了人們在革新注射器械中借鑒和模仿的最佳對象。
          從肉眼看,我想多數人會認為蚊子的嘴只是“一根針”,但事實上并非如此。如果我們把蚊子的嘴解剖開來,就會發現里面其實藏著6把“手術刀”:包括上唇(labrum: Lr)、上顎(mandible: Ma)、舌(hypopharynx: Hy)和下顎(maxilla: Mx);它們與下唇(labium: La)一起組成了蚊子高度特化的針狀喙結構。當蚊子不吸血時,這些“手術刀”會被收在如“刀鞘”般的下唇中;當吸血時,下唇會彎曲折疊附著在皮膚表面,像“支架”一樣引導、輔助蚊子用“手術刀”劃開表皮,再慢慢刺入血管中。
        蚊子口器的構造
        A:附肢組成;B:橫剖面結構;C:端部結構
          如果用掃描電子顯微鏡觀察,我們會發現蚊子口器中的各把“手術刀”也具有不同生理結構,在蚊子吸血時“各司其職”。上顎和下顎是蚊子刺入皮膚的主要工具。其中上顎寬扁、鋒利,猶如一把“利劍”,劃開皮膚;下顎的鋸齒狀邊緣則用于“切割”皮下組織。隨后,蚊子就會用端部表面粗糙且具有一定角度的上唇插入血管吸取血液,而舌則負責“注射”,將瘧原蟲、黃熱病毒、乙腦病毒等有害物質注入人體。
        蚊子口器的超微結構  
        Ⅰ:成蟲全貌;Ⅱ:口器不同構造端部結構;Ⅲ:口器超微結構
        仿生注射
          仿生學(Bionics)起源于上世紀60年代,主要目的是在工程層面上實現對生物結構及功能的有效應用與模仿,而將具有相應功能原理和作用機理的生物系統作為生物模型進行研究,實現新的技術設計并制造更好的新型機械原件、儀器。
          生活中,仿生現象無處不在。我們可以從老鷹彎曲的爪子聯想到吊車的鉤爪,從鴨子張開的鴨蹼聯想到船槳,從螳螂捕捉臂的邊緣聯想到鋸子,從章魚噴出的“墨汁”聯想到煙霧彈,從沙丁魚獨特的外形聯想到魚雷,從蝴蝶不反光的翅膀聯想到手機貼膜,多種多樣、不勝枚舉。
        形形色色的仿生學現象  
            早期,在注射器針頭改良方面,設計者僅僅將“傳統”的橢圓形針尖變為圓錐形,或者在尖部設計多個不同方向的出藥口,避免注射時由于藥物堆積導致的疼痛或腫塊,但始終無法有效減輕注射時的痛苦。
          仿生注射技術是基于仿生學角度,通過分析如昆蟲口器的生物結構、形態及特征,應用非光滑減阻理論,在傳統針頭上進行非光滑表面結構設計,如波紋形、凹坑形、鋸齒形及凹槽形的針頭表面結構,增加皮膚與注射器間的摩擦力以達到減痛、甚至無痛效果。通俗的講,針頭表面越是粗糙,進入皮膚受到的阻力越大,反而越不容易讓人察覺到疼痛。
        四種不同類型的仿生針頭 
          另外,不僅是針頭表面,針尖的角度同樣可以影響注射時給人們帶來的疼痛程度。注射器針頭是由第一斜面、第二斜面(左右兩部分)組成,其中第一斜面主要決定針頭長度,而第二斜面則主要決定針頭形狀??茖W家們通過觀察、分析蚊子口針中各“手術刀”的尖部形態,模擬蚊子吸血過程,終于找出了注射時使人感覺最舒適的“黃金角度”,重新設計針頭結構,期望實現“無痛注射”。
        注射針頭的針尖
        A:針尖剖面結構圖;B:不同針尖結構 
          也許我們并不在意,其實目前已有多種仿生醫療器械被生產、應用并普及,比如胰島素注射筆、微痛留置針等,它們無處不在,與患者們的日常生活息息相關。
          
        部分仿生醫療器械
         A:胰島素注射筆;B:微痛留置針  
            注射是臨床醫學中應用最廣泛的治療手段之一,是搶救病人和治療各種疾病的重要措施。據調查顯示,全世界至少20%的未成年人和8.1%的成年人會對注射器產生恐懼。特別是對于那些需要長期注射藥物進行治療的患者,如糖尿病、慢性病及癌癥患者,由于需要長期忍受注射帶來的疼痛,很有可能導致病人放棄治療,不僅影響病人康復,嚴重者還會造成病情拖延、惡化,甚至導致病人死亡。
          目前,由于微針注射、無針注射等手段存在加工成本高、適用藥品單一等缺點,發展空間狹窄。隨著仿生注射技術的發展與應用,我們堅信,在未來人們一定會掌握真正意義上的“無痛注射”技術,徹底擺脫“打針疼”的煩惱。
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