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【第二届分省院科普征文大赛作品展示】打针为什么不太疼?仿生注射来显能

发表日期:2020-04-17来源:放大 缩小

 (第二届分省院科普征文大赛 二等奖 陕西省动物研究所 宁硕瀛 )

    生病,在现实生活中是再平常不过的事情。但对许多人来说,到医院打针却是一件令人发怵的事情,而且对于需要长期治疗的患者更是谈“针”色变。无论是皮试、肌肉注射还是打吊瓶,其痛感都会让人们眉头微紧,更有甚者自觉难以释怀。

  近年来,随着科学技术的不断进步,医疗技术飞速发展。不知什么时候,我们发现打针似乎不那么疼了!?这究竟是怎么回事呢?其实,这都得益于人们向“昆虫老师”虚心学习,对注射器针头进行改良设计,提高了药物注射时的舒适度,使人们对“疼”的感觉不那么敏感了。
  疼痛是如何产生的?
  痛觉(Pain)是动物的生理本能,指机体收到伤害性刺激时,产生的不愉悦的感觉,伴随着情绪变化和防御反应。根据注射位置不同,注射方式主要分为皮内注射、皮下注射、肌肉注射和静脉注射。
不同注射方式示意图
  注射疼痛属于典型的刺痛,一般来说,除去心理因素的影响,指皮肤或皮下软组织受到针头插入或摩擦刺激后引起的创伤性疼痛。研究发现,在人体表面1cm2的皮肤上,密布着多达200个触压觉感受器,即各种各样不同的神经末梢,比如梅克尔盘、迈纳斯小体、环层小体、毛囊感受器、鲁菲尼终末和游离神经末梢。当皮肤受到针头刺激时,这些感受器就像“电源开关”一样,让我们“嘭”的一下疼的眉头紧锁,手心出汗。
   
皮肤表面不同触压觉感受器解剖形态
  通常情况下,每当病人哆嗦着描述自己“怕疼”时,医生们多数只会说“换一个细针头”或者“慢点儿打”,凭借减少单位时间内的给药量来稍稍减轻疼痛。当然,这仅是“治标不治本”,并不能从根本上缓解患者的痛苦。
各式各样的注射针头 
A:不同规格;B:各种类型  
昆虫的“嘴巴”有哪些?
  口器(Mouthpart),顾名思义,是指昆虫的“嘴”。由于昆虫食性非常广泛,经过几十亿年的不断进化,昆虫口器由最原始的咀嚼式口器逐渐演化出多种不同类型。其中,常见的类型主要有5种,分别为咀嚼式口器(如蟑螂、蝗虫)、舐吸式口器(如苍蝇)、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,昆虫口器中还有3种其它特化的类型,如锉吸式口器(蓟马特有)、捕吸式口器(如蚁狮、蚜狮等脉翅目幼虫特有)和刮吸式口器(双翅目蝇类幼虫特有)。
咀嚼式口器(蟑螂)  

舐吸式口器(苍蝇)

嚼吸式口器(蜜蜂)

虹吸式口器(蝴蝶)

刺吸式口器(蚊子)
蚊子的“口针”
  谈到蚊子,我们都知道它非常讨厌。每到夏天时,耳边的“嗡嗡”声总让人们觉得很烦躁。可令人意外的是由于蚊子的“嘴”长得像针一样,其口器结构形态反而成了人们在革新注射器械中借鉴和模仿的最佳对象。
  从肉眼看,我想多数人会认为蚊子的嘴只是“一根针”,但事实上并非如此。如果我们把蚊子的嘴解剖开来,就会发现里面其实藏着6把“手术刀”:包括上唇(labrum: Lr)、上颚(mandible: Ma)、舌(hypopharynx: Hy)和下颚(maxilla: Mx);它们与下唇(labium: La)一起组成了蚊子高度特化的针状喙结构。当蚊子不吸血时,这些“手术刀”会被收在如“刀鞘”般的下唇中;当吸血时,下唇会弯曲折叠附着在皮肤表面,像“支架”一样引导、辅助蚊子用“手术刀”划开表皮,再慢慢刺入血管中。
蚊子口器的构造
A:附肢组成;B:横剖面结构;C:端部结构
  如果用扫描电子显微镜观察,我们会发现蚊子口器中的各把“手术刀”也具有不同生理结构,在蚊子吸血时“各司其职”。上颚和下颚是蚊子刺入皮肤的主要工具。其中上颚宽扁、锋利,犹如一把“利剑”,划开皮肤;下颚的锯齿状边缘则用于“切割”皮下组织。随后,蚊子就会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,而舌则负责“注射”,将疟原虫、黄热病毒、乙脑病毒等有害物质注入人体。
蚊子口器的超微结构  
Ⅰ:成虫全貌;Ⅱ:口器不同构造端部结构;Ⅲ:口器超微结构
仿生注射
  仿生学(Bionics)起源于上世纪60年代,主要目的是在工程层面上实现对生物结构及功能的有效应用与模仿,而将具有相应功能原理和作用机理的生物系统作为生物模型进行研究,实现新的技术设计并制造更好的新型机械原件、仪器。
  生活中,仿生现象无处不在。我们可以从老鹰弯曲的爪子联想到吊车的钩爪,从鸭子张开的鸭蹼联想到船桨,从螳螂捕捉臂的边缘联想到锯子,从章鱼喷出的“墨汁”联想到烟雾弹,从沙丁鱼独特的外形联想到鱼雷,从蝴蝶不反光的翅膀联想到手机贴膜,多种多样、不胜枚举。
形形色色的仿生学现象  
    早期,在注射器针头改良方面,设计者仅仅将“传统”的椭圆形针尖变为圆锥形,或者在尖部设计多个不同方向的出药口,避免注射时由于药物堆积导致的疼痛或肿块,但始终无法有效减轻注射时的痛苦。
  仿生注射技术是基于仿生学角度,通过分析如昆虫口器的生物结构、形态及特征,应用非光滑减阻理论,在传统针头上进行非光滑表面结构设计,如波纹形、凹坑形、锯齿形及凹槽形的针头表面结构,增加皮肤与注射器间的摩擦力以达到减痛、甚至无痛效果。通俗的讲,针头表面越是粗糙,进入皮肤受到的阻力越大,反而越不容易让人察觉到疼痛。
四种不同类型的仿生针头 
  另外,不仅是针头表面,针尖的角度同样可以影响注射时给人们带来的疼痛程度。注射器针头是由第一斜面、第二斜面(左右两部分)组成,其中第一斜面主要决定针头长度,而第二斜面则主要决定针头形状。科学家们通过观察、分析蚊子口针中各“手术刀”的尖部形态,模拟蚊子吸血过程,终于找出了注射时使人感觉最舒适的“黄金角度”,重新设计针头结构,期望实现“无痛注射”。
注射针头的针尖
A:针尖剖面结构图;B:不同针尖结构 
  也许我们并不在意,其实目前已有多种仿生医疗器械被生产、应用并普及,比如胰岛素注射笔、微痛留置针等,它们无处不在,与患者们的日常生活息息相关。
  
部分仿生医疗器械
 A:胰岛素注射笔;B:微痛留置针  
    注射是临床医学中应用最广泛的治疗手段之一,是抢救病人和治疗各种疾病的重要措施。据调查显示,全世界至少20%的未成年人和8.1%的成年人会对注射器产生恐惧。特别是对于那些需要长期注射药物进行治疗的患者,如糖尿病、慢性病及癌症患者,由于需要长期忍受注射带来的疼痛,很有可能导致病人放弃治疗,不仅影响病人康复,严重者还会造成病情拖延、恶化,甚至导致病人死亡。
  目前,由于微针注射、无针注射等手段存在加工成本高、适用药品单一等缺点,发展空间狭窄。随着仿生注射技术的发展与应用,我们坚信,在未来人们一定会掌握真正意义上的“无痛注射”技术,彻底摆脱“打针疼”的烦恼。
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