高頻電手術(shù)刀表面激光制備仿生鯊魚皮微結(jié)構(gòu)的研究

楊立軍，劉 楠，閆程程，李 晨，陳 威，張 達(dá)

(陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

隨著醫(yī)療器械的發(fā)展，高頻電刀因具有縮短手術(shù)時間、止血效果好、能對創(chuàng)口殺菌等優(yōu)點，已逐漸取代傳統(tǒng)手術(shù)刀，成為臨床上主要應(yīng)用的手術(shù)器械.然而，高頻電刀產(chǎn)生的組織熱效應(yīng)在對組織切割和止血的同時，還會導(dǎo)致組織在手術(shù)電極表面黏附[1].組織粘附在電極表面不僅難以去除而且會增大整個電流回路的電阻，導(dǎo)致電極表面的電流密度減少，出現(xiàn)無法切割和凝血不充分的現(xiàn)象[2,3].

近年來，如何通過高頻電刀表面改性來降低電極表面組織粘附已經(jīng)得到各界的廣泛關(guān)注.張德遠(yuǎn)等[4]在高頻電刀電極表面加工微納結(jié)構(gòu)，利用微納結(jié)構(gòu)間隙的表面作用使生物相容液體潤滑手術(shù)電極表面，隔離軟組織與手術(shù)電極表面的接觸，降低手術(shù)電極溫度，從而達(dá)到抑制電極表面粘附發(fā)生的目的.Cheng等[5]仿照荷葉的超疏水乳突結(jié)構(gòu)，在電極表面刻蝕出周期性分布的微-納米顆粒，以降低電極表面的組織粘附.Lin等[6]用飛秒脈沖激光在電極表面制備出微納米結(jié)構(gòu)，處理后的表面具有更好的熱傳導(dǎo)性能，能有效避免溫度過高造成的組織損傷，同時可以提高電極表面的抗粘附性.

自然界非光滑生物表面是經(jīng)過長時間優(yōu)化與選擇形成的，仿生非光滑表面微結(jié)構(gòu)不僅成本低、易實現(xiàn)，還能減少污染，具有重要的應(yīng)用價值[7].Frohnapfel等[8]簡化鯊魚皮表面微溝槽，進(jìn)行數(shù)值模擬，證明了溝槽間湍流耗散率對減阻效果有重要影響.張德遠(yuǎn)等[9]用熱壓印法大面積復(fù)制鯊魚皮外表面，用水筒阻力實驗證明仿生鯊魚皮最大減阻率可達(dá)8.25%.邵靜靜等[10]通過介紹鯊魚皮結(jié)構(gòu)及防污原理，提出鯊魚皮仿生作為一種全新的防污方法，無毒無污染、物理性能優(yōu)良，受到越來越多學(xué)者的重視.綜上所述，鯊魚皮表面具有極好的減阻效果以及抗黏附性能，將其仿生結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高頻電刀的表面能夠顯著改善其性能，但針對仿生鯊魚皮微結(jié)構(gòu)參數(shù)對實際組織切割的實驗效果罕見報道，本文正是在此基礎(chǔ)上展開研究的.

1 實驗裝置與方法

實驗所用材料為不銹鋼316 L單面拋光薄片(規(guī)格為50 mm×50 mm×0.67 mm)和316 L不銹鋼手術(shù)刀，激光加工前先將表面拋光至鏡面光澤，然后依次放入丙酮、酒精以及去離子水中各超聲清洗5 min.

采用英國SPI100型光纖激光器對樣品進(jìn)行加工，激光波長1 070 nm，功率范圍10～100 W，脈沖頻率1～100 KHz.整個激光加工系統(tǒng)如圖1所示，主要包括激光發(fā)生器，光路系統(tǒng)以及運動系統(tǒng).激光發(fā)生器產(chǎn)生規(guī)定功率和頻率的脈沖激光，通過光路系統(tǒng)對激光進(jìn)行偏轉(zhuǎn)、折射和聚焦.實驗采用的激光光束直徑為 5 mm，通過反射鏡與30 mm聚焦鏡聚焦產(chǎn)生直徑18μm的光斑.使激光垂直聚焦在安裝于運動平臺的樣品表面.激光加工過程中，空氣中的樣品不動，通過控制運動平臺的運動軌跡加工所需要的微納米結(jié)構(gòu).

圖1 激光加工系統(tǒng)

鯊魚皮表面由多個菱形排列的盾鱗狀鱗片組成，盾鱗表面主要由鱗脊和鱗柱兩部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 原始鯊魚皮結(jié)構(gòu)SEM圖[11]

合理處理原始鯊魚皮表面結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)激光加工工藝并利用仿生學(xué)原理，將單個鯊魚皮鱗片抽象簡化為正方形結(jié)構(gòu)，自主設(shè)計仿生鯊魚皮微結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示.采用光纖激光器在不銹鋼316 L表面加工仿生鯊魚皮微結(jié)構(gòu)，加工結(jié)果如圖4所示.

圖3 優(yōu)化后的鯊魚皮表面微結(jié)構(gòu)

圖4 仿生鯊魚皮表面SEM圖

具體仿生微結(jié)構(gòu)尺寸介紹如下：設(shè)正方形盾鱗邊長為L(依次取600μm、800μm和1 000μm)，盾鱗間距為D(依次取150μm，300μm和450μm)，在電刀表面進(jìn)行實驗.實驗獲得在激光功率P為15～21 W，頻率1 000 Hz，掃描速度5 m/min，占空比50%的參數(shù)下，制備的微納米結(jié)構(gòu)清晰規(guī)整、表面質(zhì)量好.因此，依次取15 W、18 W和21 W的激光功率進(jìn)行表面加工實驗，實驗參數(shù)如表1所示.

表1 激光加工參數(shù)表

高頻電刀在對組織進(jìn)行切割和止血的同時還會造成組織在電刀表面的粘附.高頻電刀進(jìn)行組織切割時，刀頭首先和組織發(fā)生接觸，產(chǎn)生摩擦作用，摩擦力越小，越有利于刀具切割；其次，電刀切入組織，發(fā)生組織粘附.因此，實驗主要針對微結(jié)構(gòu)的摩擦性、微結(jié)構(gòu)疏水性、液體減阻性以及粘附性進(jìn)行分析驗證.

2 實驗分析與討論

2.1 仿生鯊魚皮結(jié)構(gòu)摩擦性分析

將豬肝切成φ45 mm、厚2 mm的圓盤形薄片固定在φ45 mm、厚6 mm的金屬底板上，刀具切割成5 mm長的長方形長條固定在6×7×8 mm的定位銷上.設(shè)置實驗參數(shù)：加載力10 N，主軸轉(zhuǎn)速10 r/min，室溫環(huán)境進(jìn)行實驗.然后使用MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗機檢測刀具基體材料與豬肝制件的摩擦磨損.每組實驗進(jìn)行3次求取平均值作為結(jié)果，各組摩擦系數(shù)如表2所示.

表2 仿鯊魚皮表面微結(jié)構(gòu)摩擦系數(shù)表

由摩擦系數(shù)表2可知，9號件的微結(jié)構(gòu)參數(shù)最有利于減少摩擦，得出本次實驗降低高頻電刀摩擦性的最優(yōu)仿生鯊魚皮微結(jié)構(gòu)加工參數(shù)為：P=18 W，D=300μm，L=800μm.對以上結(jié)果進(jìn)行正交試驗方差分析，結(jié)果如表3所示，可知對仿生鯊魚皮微結(jié)構(gòu)摩擦性影響因素的大小依次為：盾鱗間距(D)>激光功率(P)>盾鱗邊長(L)；針對最優(yōu)盾鱗間距D=300μm的解釋為：微結(jié)構(gòu)的存在使得單位面積下電刀接觸面減少，表面摩擦力減少，但當(dāng)盾鱗間距過小(D=150μm)時，溝槽過密會提升電刀單位面積表面粗糙度導(dǎo)致摩擦力增加.仿生鯊魚皮結(jié)構(gòu)最大可減少21.88%的摩擦阻力.

表3 微結(jié)構(gòu)摩擦系數(shù)正交試驗結(jié)果

2.2 仿生鯊魚皮表面液體減阻分析

2.2.1 仿生鯊魚皮表面疏水性

在仿生鯊魚皮微結(jié)構(gòu)表面多次進(jìn)行接觸角實驗，求取平均值，檢測微結(jié)構(gòu)表面疏水性，實驗結(jié)果如圖5所示.

(a)1號件 (b)2號件

(c)3號件 (d)4號件

(e)5號件 (f)6號件

(g)7號件 (h)8號件

(i)9號件 (j)原始件圖5 不同參數(shù)樣品表面接觸角

原始件為光滑基體表面，其接觸角為68 °.對實驗結(jié)果進(jìn)行正交試驗方差分析結(jié)果如表4所示，可見RL>RP>RD，即影響仿生結(jié)構(gòu)疏水性因素的大小依次為盾鱗邊長(L)>激光功率(P)>盾鱗間距(D).考慮到液滴與仿生鯊魚皮表面的接觸是一種復(fù)合接觸，液滴不能填滿粗糙表面的凹槽，因此選擇CASSIE模型(cosθ*=f1cosθ1+f2cosθ2)，進(jìn)行分析得出表面接觸角.實驗結(jié)果表明仿生鯊魚皮表面接觸角均大于光滑基體表面接觸角，即仿生鯊魚皮微結(jié)構(gòu)表面能夠增加高頻電刀表面疏水性，接觸角最大可提升21%.面紋理的引入，減少固液相接觸面積，提升表面.

表4 微結(jié)構(gòu)疏水性正交試驗結(jié)果

2.2.2 FLUENT仿真減阻

通過三維建模軟件Pro/ENGINEER建立不同盾鱗間距與邊長的三維模型，根據(jù)光纖激光器在刀具上制備的實際仿生鯊魚皮微結(jié)構(gòu)和前期實驗測量結(jié)果，設(shè)置微溝槽寬度100μm深度3μm，共建立5個仿真組，其參數(shù)設(shè)置如表5所示.

表5 豬血域光滑表面與仿生鯊魚皮織構(gòu)仿真參數(shù)表

將建立好的仿真模型導(dǎo)入FLUENT軟件中，設(shè)置刀具切割肉的速度為1 000 mm/min即0.016 7 m/s，設(shè)置血液流速為0.1 m/s，根據(jù)雷洛數(shù)計算公式可得雷洛數(shù)范圍為61.13～65.28遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于層流與湍流的臨界雷洛數(shù)，所以刀具在切割豬肝組織細(xì)胞時的血液與刀具間的流動黏附狀態(tài)為層流狀態(tài)，選擇經(jīng)典的Laminar層流模型來計算仿生鯊魚皮微結(jié)構(gòu)減阻效果.

為使仿真結(jié)果更能反映高頻電刀切割組織的實際情況，選擇豬血作為計算材料，設(shè)置血液密度1.05×103kg/m3，血液粘度8.24±2.27 mPa·s[12]，溫度20 ℃時，導(dǎo)熱系數(shù)0.532 W/M*k[13]，比熱Cp=0.019 0t+ 3.362[14]，計算得Cp為3.742 J/(g*K)；刀具在實際切割時是常溫環(huán)境，設(shè)置切割溫度為293.15 K，切割的刀具溫度為523.15 K[15].計算豬血環(huán)境下仿生鯊魚皮微結(jié)構(gòu)對刀具表面的減阻情況，仿真計算結(jié)果如表6所示.

表6 豬血域光滑表面與仿生鯊魚皮織構(gòu)摩阻系數(shù)及減阻率計算結(jié)果

根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)可知，仿真中刀具表面仿生結(jié)構(gòu)最大可以減少2.16%的阻力，因此光纖激光器加工的仿生鯊魚皮微結(jié)構(gòu)在刀具切割組織時具有減小摩阻系數(shù)的效果.表面紋理的存在，使得溝槽底面產(chǎn)生小渦流，如圖6所示，小渦流相互作用限制大渦流的產(chǎn)生，因此大量低速液體積聚在底面，減少阻力系數(shù).

(a)電手術(shù)刀微結(jié)構(gòu)表面剪切應(yīng)力云圖

(b)電手術(shù)刀微結(jié)構(gòu)表面上流體速度分布云圖圖6 FLUENT仿真結(jié)果圖

豬血環(huán)境下的最優(yōu)減阻參數(shù)為盾鱗間距150μm，鱗片大小600μm，仿生表面減阻率隨著盾鱗間距的增加而減小，隨著鱗片邊長的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢.

2.3 仿生鯊魚皮表面粘附性分析

將新鮮豬肝切成寬2 cm、高2 cm的長條狀，用夾具夾持在數(shù)控機床的工作臺上，將高頻電刀安裝在卡盤上，設(shè)定加工參數(shù)：切割深度12 mm，切割速度1 000 mm/min.將電刀加熱至250 ℃±10 ℃，在室溫條件下進(jìn)行實驗，豬肝組織黏附情況如圖7所示，其中圖7(a)為原始件表面粘附情況，圖7(b)為仿生鯊魚皮結(jié)構(gòu)表面粘附情況.

(a)原始件

(b)實驗件圖7 豬肝組織黏附圖

該實驗重復(fù)三次，測量結(jié)果如表7所示.

表7 電刀表面粘附質(zhì)量均值表

由實驗結(jié)果可知，仿生鯊魚皮結(jié)構(gòu)表面能有效減少豬肝組織的粘附.9號件的參數(shù)最有利于減少組織粘附，本次高頻電刀抗粘附的最優(yōu)仿生鯊魚皮微結(jié)構(gòu)加工參數(shù)為：P=18 W，D=300μm，L=800μm.對實驗結(jié)果進(jìn)行正交試驗方差分析，結(jié)果如表8所示，可得影響電刀粘附量因素的大小依次為：盾鱗間距(D)>激光功率(P)>盾鱗邊長(L).針對最優(yōu)盾鱗間距D=300μm的解釋為：單位面積下溝槽間距越小，組織在基體上的粘附量越少，但溝槽間距過密提高電刀表面粗糙度，增大組織在基體上的粘附量.與影響摩擦系數(shù)分析結(jié)果一致，說明摩擦力在抗黏附中起主要作用.實驗測得仿生鯊魚皮結(jié)構(gòu)最大可減少16.91%的組織粘附量.

表8 微結(jié)構(gòu)粘附量正交試驗結(jié)果

3 結(jié)論

仿生鯊魚皮表面微結(jié)構(gòu)能夠有效改善電刀表面與組織切割面的接觸情況，有效降低切割組織過程中的摩擦力，減小組織的粘附.仿生鯊魚皮結(jié)構(gòu)摩擦性分析實驗結(jié)果表明：仿生鯊魚皮結(jié)構(gòu)最大可減少21.88%的摩擦阻力.仿生鯊魚皮表面疏水性研究結(jié)果表明：仿生鯊魚皮微結(jié)構(gòu)表面能夠增加高頻電刀表面疏水性，接觸角最大可提升21%.FLUENT仿真減阻分析結(jié)果表明：FLUENT仿真中刀具表面微結(jié)構(gòu)最大可以減少2.16%的阻力.仿生鯊魚皮表面粘附性分析結(jié)果表明：影響仿生鯊魚皮微結(jié)構(gòu)摩擦性與粘附量的因素大小依次為：盾

鱗間距(D)>激光功率(P)>盾鱗邊長(L).仿生鯊魚皮微結(jié)構(gòu)中，摩擦力是影響組織粘附的主要因素.仿生鯊魚皮結(jié)構(gòu)表面最大可減少16.91%的組織粘附量.