基于能量的生物組織吻合技術(shù)研究進(jìn)展

胡鐘欣，宗乃馨，黃婷，宋成利，毛琳

上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，教育部現(xiàn)代微創(chuàng)醫(yī)療器械及技術(shù)工程研究中心（上海 , 200093）

0 引言

隨著全球環(huán)境的惡化和不健康飲食習(xí)慣的養(yǎng)成，癌癥已成為21 世紀(jì)人類健康的最大威脅，近年來呈現(xiàn)明顯的年輕化、復(fù)雜化趨勢(shì)，且癌癥帶來的社會(huì)化問題也日益突出。最新的全球癌癥調(diào)查報(bào)告顯示［1］，2018 年全球范圍內(nèi)癌癥死亡人數(shù)高達(dá)960 萬例，其中結(jié)直腸癌的死亡率達(dá)到9.2%，位居第二位。目前，外科手術(shù)仍是治療結(jié)直腸癌最有效的方法，治療過程包括癌變組織的切除和殘余部位的吻合。臨床上常用的組織吻合方式包括手工針線縫合和機(jī)械吻合器吻合［2-3］，但這兩種技術(shù)均會(huì)導(dǎo)致吻合口炎癥和排異反應(yīng)等不良后果，影響手術(shù)的治療效果和患者腸道結(jié)構(gòu)功能的恢復(fù)。

隨著醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，吻合技術(shù)開始向著微創(chuàng)化、智能化與精準(zhǔn)化方向迅速發(fā)展。對(duì)生物組織進(jìn)行無針創(chuàng)、無異物殘留的吻合，可避免組織出血，有利于患者術(shù)后恢復(fù)。近年來，相繼出現(xiàn)了生物粘合和能量焊接等新型生物組織吻合技術(shù)，但目前常用的組織粘合劑存在粘接彈性差、組織毒性強(qiáng)與排異反應(yīng)等明顯不足［4］，尚未得到臨床推廣。而基于超聲、激光與射頻電流等能量的新型吻合技術(shù)可實(shí)現(xiàn)免縫合、無異物殘留的生物組織快速連接，能夠減少術(shù)后并發(fā)癥的產(chǎn)生，提高吻合手術(shù)的安全性和組織重建質(zhì)量，有望進(jìn)一步推動(dòng)外科手術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。本團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地介紹了包括超聲、激光與射頻電流在內(nèi)的能量在生物組織吻合方面的應(yīng)用，初步探討相關(guān)的組織吻合機(jī)理，為開發(fā)新型微創(chuàng)組織吻合器械提供理論支撐，促進(jìn)我國(guó)高端醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展。

1 生物組織吻合能量的分類

1.1 超聲能量

超聲是最早用于生物組織的能量，可在生物體內(nèi)產(chǎn)生熱效應(yīng)和空化效應(yīng)。低頻率的超聲可完成組織的止血，而中高頻率的超聲可用于組織的切割和吻合。超聲吻合技術(shù)［5］通過能量發(fā)生裝置（如超聲刀）的前端元件（如超聲刀的刀片）向生物組織傳輸超聲能量和機(jī)械壓力，誘導(dǎo)組織發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)待吻合組織穩(wěn)定、有效地連接，該技術(shù)具有無針創(chuàng)、煙霧小、術(shù)中視野清晰度好等顯著優(yōu)勢(shì)?；诔暷芰康慕M織切割和止血效果已得到初步證實(shí)，而對(duì)組織進(jìn)行吻合時(shí)，由于吻合強(qiáng)度較低，難以在臨床應(yīng)用中推廣。

1.2 激光能量

激光是原子受激輻射產(chǎn)生的光，與普通光相比具有更強(qiáng)的方向性、單色性和相干性。激光焊接技術(shù)使用激光能量照射生物組織，刺激光熱效應(yīng)的產(chǎn)生，在焊接口處積聚熱量，增強(qiáng)組織內(nèi)分子活動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致蛋白分子變得松散；在焊接過程的后期，隨著激光能量的減弱，熱量減少，組織內(nèi)蛋白質(zhì)分子與相鄰分子再結(jié)合以形成穩(wěn)定的連接，最終完成生物組織的吻合。研究發(fā)現(xiàn)［7-10］，低功率CO2激光、Nd:YAG 激光、氬激光和二極管激光等均可用于皮膚、血管、神經(jīng)、腸道等組織的切割和吻合，且焊接過程無異物感染、吻合區(qū)域炎癥反應(yīng)弱。然而，激光焊接過程中存在激光強(qiáng)度不可控，焊接溫度難控制等技術(shù)難點(diǎn)，易導(dǎo)致組織燒傷、組織內(nèi)膜增生等不良后果。

1.3 射頻電流

高頻電流是電流頻率超過10 kHz 的交流電，其中高頻段（300 kHz ～300 GHz）區(qū)域的電流被定義為射頻電流。當(dāng)高頻率的電流通過生物組織時(shí)，組織處會(huì)發(fā)生電熱效應(yīng)，產(chǎn)生的熱作用能夠誘導(dǎo)組織水分汽化和蛋白質(zhì)變性，從而達(dá)到切割、閉合組織的效果。1924 年Wyeth 公司［11］首次發(fā)現(xiàn)高頻電流可用于組織止血和切割，自此開啟了高頻電流在外科手術(shù)的應(yīng)用開端。20 世紀(jì)90 年代初，烏克蘭巴頓焊接研究所［12］首次將射頻電流用于生物組織的焊接。相比于其他能量吻合技術(shù)，射頻吻合術(shù)能夠集止血、切割、吻合于一體，可極大地簡(jiǎn)化手術(shù)流程，有效減少生物組織的感染風(fēng)險(xiǎn)，提高手術(shù)質(zhì)量。

2 不同能量吻合技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用的比較

2.1 血管吻合

血管組織因其尺寸?。? ～7 mm），內(nèi)膜脆弱，導(dǎo)致手工針線縫合的操作難度大，而機(jī)械吻合后的金屬釘會(huì)殘留在體內(nèi)，易造成出血、梗塞，引發(fā)局部炎癥等不良反應(yīng)的發(fā)生。由于血管愈合是細(xì)胞增殖和膠原合成的復(fù)雜過程，血管內(nèi)的膠原蛋白對(duì)溫度較為敏感，故研究人員嘗試使用外界能量在組織局部產(chǎn)生熱量，用于組織的止血、吻合，這種方法能夠縮短操作時(shí)間，提高吻合效率。

超聲吻合技術(shù)是使用高頻超聲能量對(duì)血管組織進(jìn)行止血、切割和吻合。臨床實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)［5］，超聲能量可成功吻合直徑為3 ～5 mm 的血管，且對(duì)周圍組織的熱傳導(dǎo)不超過3 mm，局部熱損傷小，手術(shù)安全性高。而隨著血管尺寸的增加，超聲吻合的效果隨之降低，為獲得理想的吻合口強(qiáng)度，研究人員［6］通過優(yōu)化控制算法，監(jiān)測(cè)組織狀態(tài)，實(shí)時(shí)檢測(cè)并調(diào)節(jié)超聲強(qiáng)度等方法，對(duì)最大尺寸為7 mm 的血管成功進(jìn)行了吻合。

1979 年，Jain 等［7］首次使用激光能量進(jìn)行血管的修復(fù)，驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性與安全性。為提高血管焊接的成功率，Nakadate 等［10］在焊接過程中向組織施加一定的壓力，結(jié)果顯示，壓力組的成功率（83%）明顯高于無壓力組（17%），表明外界壓力在一定程度上可提高焊接強(qiáng)度。Bremmer 等［13］使用308 nm 準(zhǔn)分子激光進(jìn)行兔主動(dòng)脈（直徑約4 mm，接近人體的頸內(nèi)動(dòng)脈直徑尺寸）的吻合實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，激光功率、機(jī)械壓力、激光次數(shù)等因素均會(huì)影響最終的焊接效果。雖然對(duì)血管施行激光焊接具有一定的優(yōu)勢(shì)和臨床應(yīng)用潛力，但是焊接過程中的溫度難以控制，溫度過低易造成吻合口焊接強(qiáng)度不足，溫度過高則導(dǎo)致組織粘連、碳化。

相較于超聲能量和激光能量，射頻電流的可控性更強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)哪芰扛?，從而呈現(xiàn)明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。1998 年，Kennedy 等［14］首次使用射頻電流進(jìn)行動(dòng)、靜脈血管的吻合，隨后研究人員［15］對(duì)射頻吻合和超聲吻合進(jìn)行比較，結(jié)果表明射頻電流組的吻合效果明顯優(yōu)于超聲組，提示射頻能量焊接技術(shù)的有效性。Pearce［16］對(duì)射頻能量血管吻合過程進(jìn)行了有限元模擬，同時(shí)進(jìn)行了相關(guān)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究，并分析了組織熱損傷的控制方法，以提高組織焊接效果。

2.2 結(jié)直腸的切割與吻合

腸道和血管作為生物體內(nèi)的管腔組織，在組織結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)成分上高度相似，但由于腸道尺寸與管壁厚度均大于血管，從而需要更高強(qiáng)度的能量對(duì)其進(jìn)行切割和吻合。

臨床研究中，超聲能量常用于腸道組織的凝固和止血。激光能量常用于血管和神經(jīng)的吻合。而結(jié)直腸組織因其尺寸較大，且腸壁較厚，無法使用純激光進(jìn)行吻合，因而常采取加入白蛋白、固定支架等方法以提高焊接強(qiáng)度。沈滌華等［9］通過統(tǒng)計(jì)手術(shù)時(shí)間、測(cè)量爆破壓和考查組織病理學(xué)等方法，定量比較了手工縫合、純激光焊接和基于支架的激光焊接方法的腸道吻合效果，結(jié)果顯示，基于可降解支架的CO2激光腸道焊接方式吻合口強(qiáng)度高、愈合效果好，術(shù)后炎癥反應(yīng)輕。

目前常用的射頻能量焊接設(shè)備平臺(tái)（如：LigasureTM）主要用于血管組織的吻合，無法直接用于豬小腸的閉合 。2007 年，Smulders 等［17］采用新一代的射頻能量發(fā)生平臺(tái)和新型吻合器設(shè)備，對(duì)豬回腸組織進(jìn)行了側(cè)側(cè)吻合，研究結(jié)果驗(yàn)證了利用射頻能量焊接腸道組織的可行性。2010 年Winter 等［18］利用雙極射頻能量對(duì)豬的結(jié)腸組織實(shí)施離體吻合，并對(duì)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，結(jié)腸組織吻合口的爆破壓與施加的壓合壓強(qiáng)相關(guān)，且增加組織的壁厚可提高吻合口質(zhì)量。2012 年，Kr?ger 等［19］對(duì)大鼠的盲腸組織進(jìn)行了射頻焊接，并對(duì)組織熱損傷進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，組織熱損傷與壓合壓力、吻合時(shí)間和焊接溫度有關(guān)，并可通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)在一定程度上控制組織熱損傷。2016 年Gehrig［20］比較了LigaSure 射頻能量閉合系統(tǒng)、手工針線縫合和吻合釘?shù)哪c道吻合效果，結(jié)果顯示，經(jīng)射頻焊接后的小腸的爆破壓明顯低于手工縫合對(duì)照組和吻合釘組，LigaSure 系統(tǒng)能否用于腸道組織的吻合還需進(jìn)一步的活體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2020 年，Pan 及其團(tuán)隊(duì)［21］成功實(shí)施了活體體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，比較了Ligasure 射頻吻合技術(shù)和手工針線縫合技術(shù)的焊接效果與后期愈合情況，研究發(fā)現(xiàn)，射頻吻合區(qū)域的肌層間隙富含膠原纖維，且吻合口的增殖細(xì)胞核抗原陽性細(xì)胞數(shù)量明顯高于手工針線縫合組，射頻吻合技術(shù)有望成為一種安全有效的新型體內(nèi)吻合技術(shù)。

2.3 皮膚組織修復(fù)

皮膚作為生物體覆蓋面積最大的組織，可保護(hù)機(jī)體免受外界的機(jī)械物理性損傷、病原微生物感染等侵害。結(jié)構(gòu)完整、功能正常的皮膚組織對(duì)維持機(jī)體正常運(yùn)作具有重要意義，而皮膚創(chuàng)口的愈合過程受多種因素影響，如皮膚含水量、巨噬細(xì)胞數(shù)目、外界電離輻射等。自20 世紀(jì)70 年代以來，臨床上普遍使用壓力療法治療皮膚創(chuàng)痕，但因其治療難度大、復(fù)發(fā)率高，對(duì)患者易造成心理和生理的雙重困擾。而基于能量的生物組織吻合技術(shù)具有快速、穩(wěn)定連接、無異物反應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，可加快創(chuàng)口的愈合速度、促進(jìn)組織新生，可為皮膚修復(fù)提供新的思路。

在激光能量的照射下，皮膚中的血紅蛋白、黑色素、膠原蛋白等物質(zhì)會(huì)選擇性的吸收光能，使分子結(jié)構(gòu)發(fā)生熱改變后在組織創(chuàng)口處交聯(lián)融合，從而完成皮膚修復(fù)。在創(chuàng)口愈合初期，使用中低強(qiáng)度的CO2激光進(jìn)行疤痕治療，可明顯改善患者的疤痕厚度、疼痛度、患處瘙癢程度等。研究發(fā)現(xiàn)［22］，只有充足的激光能量才可達(dá)到滿意的修復(fù)效果；當(dāng)激光輸出功率過低或焊接時(shí)間過短時(shí)無法成功修復(fù)組織，而過高的激光頻率或長(zhǎng)時(shí)間的激光焊接會(huì)在吻合口處積聚熱量，誘發(fā)組織變性凝固，造成切口的不可逆熱損傷。因此，使用激光進(jìn)行皮膚組織的焊接時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確控制能量的輸出功率和焊接時(shí)間。

射頻能量通過激發(fā)空氣中的氮生成等離子火花，在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)釋放熱量，誘導(dǎo)表皮和真皮組織再生，從而實(shí)現(xiàn)皮膚組織修復(fù)。2017 年，Wang等［23］將射頻能量用于瘢痕患者的治療，術(shù)后治愈率高達(dá)86.3%，且患處的瘢痕顏色、瘢痕厚度和皮膚柔韌性等方面有顯著改善。該技術(shù)治愈率高、恢復(fù)時(shí)間短、并發(fā)癥少，因此被認(rèn)為是最為安全的治療方式。

3 能量的吻合機(jī)理

機(jī)體創(chuàng)口的愈合過程主要經(jīng)歷三個(gè)時(shí)期［31］，分別是急性炎癥期、增殖期、重塑/ 成熟期。在吻合完成后的24 ～96 h 內(nèi)，創(chuàng)口局部發(fā)生膠原蛋白的降解和合成。由于膠原纖維是構(gòu)成軟組織結(jié)構(gòu)的重要部分，可為組織提供生物力學(xué)支撐，使生物組織具有彈性和韌性，因此膠原纖維的合成狀況將決定軟組織愈合后的機(jī)械拉伸強(qiáng)度。

為探究基于能量的生物組織吻合機(jī)理，光學(xué)顯微鏡技術(shù)、掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope， SEM） 技 術(shù)、 透 射 電 子 顯 微 鏡（transmission electron microscope, TEM）技術(shù)、拉曼光譜技術(shù)等被用于觀察組織吻合過程中的微觀形態(tài)變化。光學(xué)顯微鏡技術(shù)可觀察到完整的組織切片狀態(tài)，但只可進(jìn)行基礎(chǔ)的定性分析；透射電子顯微鏡技術(shù)可觀察到組織的超微結(jié)構(gòu)，便于對(duì)細(xì)胞和膠原纖維的細(xì)微改變進(jìn)行定性分析；拉曼光譜技術(shù)可通過對(duì)光譜的波峰變化定量分析蛋白質(zhì)分子的振動(dòng)情況，便于研究能量吻合組織的生化機(jī)制。

3.1 超聲的吻合機(jī)理

超聲吻合過程中，前端元件積聚熱量，組織水分在熱作用下發(fā)生汽化，細(xì)胞失水破損，同時(shí)前端元件55 kHz 的超聲頻率可削弱膠原分子內(nèi)的氫鍵作用力，導(dǎo)致組織斷裂，從而完成生物組織的切割。隨著超聲能量減弱，傳遞的熱量減少，斷裂的組織再次交聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)生物組織的吻合。Fosehi 等［25］使用掃描電鏡和透射電鏡分析了超聲吻合后的血管超微結(jié)構(gòu)，研究證實(shí)，超聲能量通過熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)膠原蛋白和細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的變性和再凝結(jié)，最終成功吻合生物組織。

3.2 激光的吻合機(jī)理

當(dāng)激光作用于生物組織時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)：熱效應(yīng)、光化學(xué)效應(yīng)、壓強(qiáng)效應(yīng)、電磁場(chǎng)效應(yīng)、生物刺激效應(yīng)。在激光照射下，生物組織的熱效應(yīng)能夠破壞膠原纖維間的氫鍵，隨著組織的冷卻，蛋白質(zhì)分子間會(huì)重新形成共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵［26］，從而完成組織融合以形成穩(wěn)定的交聯(lián)。然而，Bremmer 及其團(tuán)隊(duì)采用高速成像、高對(duì)比度成像、高靈敏度成像等技術(shù)對(duì)準(zhǔn)分子激光輔助無閉塞吻合術(shù)（ELANA）的機(jī)理進(jìn)行研究，觀察到吻合過程中的熱效應(yīng)極其微弱，認(rèn)為其吻合機(jī)理是機(jī)械性質(zhì)的組織內(nèi)分子連接，而非熱量誘導(dǎo)的蛋白變性行為。

3.3 射頻能量的吻合機(jī)理

射頻電流作用于生物組織主要存在兩種效應(yīng)機(jī)制：一種是細(xì)胞膜的電穿孔效應(yīng)，另一種是電流的熱效應(yīng)。射頻能量焊接技術(shù)利用這兩種作用機(jī)制，以組織細(xì)胞的蛋白質(zhì)作為焊接原料，利用生物組織熱效應(yīng)達(dá)到組織吻合的目的。當(dāng)射頻電流能量作用于生物組織時(shí)，較高頻率的電流在細(xì)胞膜表面形成可逆性電穿孔［27］，誘導(dǎo)胞內(nèi)蛋白析出進(jìn)入細(xì)胞間質(zhì)，為組織焊接提供充足的蛋白質(zhì)。焊接過程中，射頻電流通過生物組織時(shí)，電流在生物阻抗［28］的作用下轉(zhuǎn)化為熱能，組織細(xì)胞失水［29］，蛋白質(zhì)的三螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生變性，解鏈為隨機(jī)卷曲的多肽鏈，在外部的機(jī)械壓力作用下再次形成穩(wěn)定的交聯(lián)［30-31］，從而實(shí)現(xiàn)生物組織的有效焊接。

4 總結(jié)與展望

基于能量的吻合技術(shù)是通過能量實(shí)現(xiàn)對(duì)組織結(jié)構(gòu)的重建。能量吻合術(shù)作為一種連續(xù)的、無異物殘留的新型生物組織吻合技術(shù)，與傳統(tǒng)的手工針線縫合和機(jī)械吻合器相比，可徹底擺脫外界異物對(duì)吻合口愈合的影響，提高吻合質(zhì)量并簡(jiǎn)化手術(shù)操作流程，具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。

目前普遍認(rèn)為，基于能量的生物組織吻合涉及能量、熱、蛋白結(jié)構(gòu)重組等多個(gè)方面，現(xiàn)階段仍未揭示組織吻合中膠原變性及蛋白質(zhì)重構(gòu)的本質(zhì)特征。在未來的研究中，可通過生物化學(xué)類方法對(duì)吻合前后組織內(nèi)成分變化進(jìn)行量化，并研究能量作用下膠原分子解螺旋、氫鍵結(jié)合以及新肽鏈形成的過程，從而建立蛋白質(zhì)三維構(gòu)象演變的物理模型。通過明確吻合區(qū)域生物組織、細(xì)胞、蛋白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的變化，建立能量吻合的基本理論，進(jìn)一步闡明生物組織吻合機(jī)理，為我國(guó)自主研發(fā)基于能量的生物組織吻合器械奠定理論基礎(chǔ)。