一種微創切割生物軟組織的金屬絲刀具的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于軟物質和實驗力學技術領域，涉及到生物軟組織切割，特別涉及到一種微創切割生物軟組織的金屬絲刀具。
【背景技術】
[0002]日常生活中磕碰、跌落、車禍等很多事故都可能對人體組織器官(如大腦、肝臟、腎臟等)造成不同程度上的創傷甚至危及生命，為能夠研發出有效可靠的預測方法和防護措施，需要準確的測試人體軟組織的力學性能，建立合適的力學模型，為實驗驗證和數值模擬提供的參考數據。另外，獲得人體軟組織準確的力學性能對醫療診斷、制定手術方案等均具有重要的實踐指導意義。由于豬、牛等部分軟組織器官力學性能與相應人體軟組織相似，實驗中常用其來代替人體組織。要對生物軟組織樣品進行力學性能測試，需要切割制備一定規格尺寸的樣品。一種常用的方法是通過設計制造一定規格形狀、尺寸的模具，通過直接用力壓入生物軟組織的方法切割得到樣品。但是，生物軟組織的質地柔軟，且有較強的粘附性。使用該方法在壓入過程中通常會導致軟組織產生較大的變形，而且當模具前端進入生物軟組織之后隨著兩者接觸面積增加，粘附力不斷增大，施加的切割力也需相應的增加；當取出模具和將切割樣品與模具分離時，為克服軟組織與模具間粘附力，也需要施加較大的外力。切割過程中切割力的大小、取樣時外加力對軟組織的破壞及其對軟組織粘彈性力學性能的影響都難以預測和評估。此外，由于粘附力的存在，樣品在切割過程中會產生較大的變形，難以獲得精確幾何尺寸的樣品。在切割前使用生理鹽水潤濕模具或在切割過程中噴灑生理鹽水，可在一定程度上減小樣品與模具間粘附作用，但該方法效果有限、可控性差、操作繁瑣。
【發明內容】
[0003]本發明提供了一種微創切割生物軟組織的金屬絲刀具，該刀具利用化學刻蝕或機械加工方法在金屬絲表面形成微納織構，結合直線振動切割方式，降低切割過程中的粘附力作用，有效減少切割力，降低切割過程對樣品力學性能產生的影響，實現微創切割，同時能使切割面平整，切取出精確幾何尺寸的樣品。
[0004]本發明的微創切割生物軟組織的金屬絲刀具包括振動裝置和弓形金屬絲刀兩部分。
[0005]振動裝置用來提供往復直線運動效果，使弓形金屬絲刀做前進-切割-后退-切割的往復運動，將切割軟組織的主切割力變為切割面上的切向力，法向力較靜態切割大幅度減小，由于往復運動頻率較大，切向力方向改變較快，幾乎不會對軟組織切向上造成破壞，使用微納織構表面金屬絲結合振動切割方式能有效減少需要施加的切割力，軟組織變形也較小。
[0006]所述振動裝置的振幅需大于3mm，振動頻率不小于30Hz。所述振動裝置可以采用醫用往復鋸來實現。
[0007]弓形金屬絲刀包括刀柄、弓形夾片、墊片、螺栓、螺母和金屬絲。刀柄用來連接往復振動裝置和弓形金屬絲刀，通過螺栓和螺母在弓形夾片的兩端張緊金屬絲；弓形夾片需要使用剛度大的材料來制備，防止其在裝配過程中發生變形。墊片夾在螺栓和弓形夾片之間，墊片應具有一定的彈性、韌性和機械強度，可加大螺母的調動范圍，更好控制預緊力，同時確保在緊固金屬絲時不對金屬絲產生破壞作用。
[0008]所述的墊片可以采用紅鋼紙墊片。
[0009]所述的金屬絲可以采用鑰絲、銅絲等，金屬絲要有合適的直徑，直徑過大，易導致切割力增加，直徑過小，安裝和切割過程中金屬絲易發生斷裂。所述金屬絲直徑范圍:
0.08mm-0.3mm。
[0010]所述金屬絲需具有合適的表面粗糙度，在切割接觸時，過小、過大粗糙度的都不容易引起應力集中從而減弱切割效果。所述金屬絲表面的粗糙度Ra范圍:20nm-800nm。
[0011]所述金屬絲表面微納織構可采用化學刻蝕方法(如FeCl3、HCl、H3PO4, H2O2等組成溶液)獲得，也可采用機械加工方法(如噴砂、拋丸、電火花加工等)進行表面處理獲得。
[0012]所述金屬絲可采用低表面能氟硅烷(如十七氟癸基三甲氧基硅烷，十三氟辛基三乙氧基硅烷)處理，通過硅羥基與金屬表面羥基間脫水縮合反應將氟碳鏈嫁接到金屬表面，形成同時具有強疏水性、強疏油性表面，降低切割時與生物軟組織間粘附力。
[0013]采用金屬絲來代替模具進行切割，可減小樣品與切割刀具的接觸面積，降低切入軟組織之后兩者間的粘附力，施加的切割力也會相應減小。由于金屬絲表面微納織構的存在，軟組織和金屬絲接觸區域不均勻，有效接觸面積變小，可在切割時引起應力集中，降低切割力。同時，由于微納織構中捕獲了大量空氣，使得組織中水一部分與空氣墊接觸，一部分與離散的微納突起接觸，當水與微納表面接觸時水不能滲入微納織構中，有效增強金屬絲的疏水性，也有利于降低軟組織的粘附作用。由于接觸面減小和微納織構的存在，在取出刀具時同樣可降低粘附作用而減少施加的外力，降低對軟組織的破壞。
[0014]結合附圖1所示的切割試驗裝置，還可實時測試生物軟組織切割過程中切割力大小，通過控制平臺還可切出準確幾何尺寸的樣品。使用步進電機可控制醫用往復鋸7沿滑動導軌15 (加有標尺)移動來切割樣品8，旋轉平臺13可使圓形平臺9旋轉90°，平面移動平臺可控制圓形平臺9在X-Y方向的準確移動。
[0015]本發明的效果和益處在于利用化學方法刻蝕法在金屬絲表面獲得微納織構，結合振動裝置提供的往復運動切割方式，在切割生物軟組織樣品時可以有效降低生物軟組織和刀具間的粘附力，減少所需施加的切割力，降低切割過程中對軟組織產生的破壞，實現微創切割，并能切割得到精確幾何尺寸的樣品，使切割的樣品能更真實反映生物軟組織的力學性能。本刀具制作方法簡單，操作便捷，成本低廉，便于生產和推廣。
【附圖說明】
[0016]圖1是切割試驗裝置示意圖。
[0017]圖2是本發明實施例2中刻蝕鑰絲振動切割羊腦的力-位移曲線。
[0018]圖3(a)是刻蝕前鑰絲掃描電子顯微鏡圖。
[0019]圖3(b)是刻蝕后鑰絲掃描電子顯微鏡圖。
[0020]圖4 (a)是刻蝕前鑰絲靜態接觸角測量圖。
[0021]圖4(b)是刻蝕后鑰絲靜態接觸角測量圖。
[0022]圖中:1刀柄；2弓形夾片；3紅鋼紙墊片；4螺栓；5螺母；6鑰絲；
[0023]7醫用往復鋸；8樣品；9圓形平臺；10連接桿；11，力傳感器；
[0024]12數據采集處理系統；13旋轉平臺；14 XY移動平臺；15滑動導軌；
[0025]16固定平臺。
【具體實施方式】
[0026]下面結合技術方案和附圖對本發明做進一步的說明
[0027]實施例1:鑰絲表面微納織構化方法:
[0028](I)將鑰絲(長度:10cm、直徑:80 μ m)放入FeCl3刻蝕液中(FeCl 3與H2O的質量比為4:15，還需添加HCl、H3PO4' H2O2，其與水體積比為2:2:2:15),在室溫下刻蝕5min。
[0029](2)取出鑰絲用無水乙醇超聲清洗30s，洗凈鑰絲表面殘留物，在空氣中晾干。
[0030](3)采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察刻蝕前后鑰絲的表面形貌，見附圖3。
[0031](4)采用接觸角測量儀測量，通過調控微針將2μ I水滴滴于鑰絲，測量水滴在刻蝕前后鑰絲表面的靜態接觸角。刻蝕前靜態接觸角為125° ;刻蝕后靜態接觸角為141°，如附圖4所示。
[0032]實施例2:
[0033](I)把紅鋼紙墊片3、螺栓4在弓形夾片2左右小孔各放一對，稍擰螺母5，將刻蝕的鑰絲6在左右兩邊橡膠墊片3和螺栓4上端之間繞上一圈，繼續擰螺母5。轉動螺母5將鑰絲6緊固，使用氰基丙烯酸酯將安裝好鑰絲6的弓形夾片2膠粘在刀柄I合適位置。將組裝好的鑰絲刀頭安在醫用往復鋸7前端，再將整個刀具固定在滑動導軌15上。
[0034](2)將新鮮羊腦組織樣品8放置于圓形平臺9中心，開啟醫用往復鋸7，振幅為3mm，頻率為30Hz，驅動鑰絲刀進行往復直線運動，控制醫用往復鋸7沿滑動導軌15以Imm/min的速度向下移動至切開樣品到一定深度，記錄力-位移曲線，見附圖2。
【主權項】
1.一種微創切割生物軟組織的金屬絲刀具，包括弓形金屬絲刀和往復振動裝置二部分；其特征在于， 往復振動裝置用來提供往復直線運動，使弓形金屬絲刀做前進-切割-后退-切割的往復運動，將切割軟組織的主切割力變為切割面上的切向力； 弓形金屬絲刀包括刀柄、弓形夾片、墊片、螺栓、螺母和金屬絲；刀柄用來連接往復振動裝置和弓形金屬絲刀；螺栓和螺母在弓形夾片的兩端張緊金屬絲；弓形夾片使用剛度大的材料來制備，防止其在裝配過程中發生變形；墊片夾在螺栓和弓形夾片之間，加大螺母的調動范圍，更好控制預緊力，同時確保在緊固金屬絲時不對金屬絲產生破壞作用。
2.根據權利要求1所述的金屬絲刀具，其特征在于，所述金屬絲直徑:0.08mm-0.3mm。
3.根據權利要求2所述的金屬絲刀具，其特征在于，所述金屬絲表面的粗糙度Ra:20nm_800nm。
4.根據權利要求1-3任一所述的所述的金屬絲刀具，其特征在于，所述振動裝置的振幅需大于3mm,振動頻率不小于30Hz。
5.根據權利要求4所述的金屬絲刀具，其特征在于，所述的往復振動裝置采用醫用往復鋸，所述的金屬絲采用鑰絲或銅絲。
6.根據權利要求1、2、3或5所述織的金屬絲刀具，其特征在于，所述的墊片采用紅鋼紙墊片。
7.根據權利要求4所述織的金屬絲刀具，其特征在于，所述的金屬絲通過刻蝕作用獲得微納織構或采用機械加工方法進行表面處理獲得微納織構。
8.根據權利要求6所述織的金屬絲刀具，其特征在于，所述的金屬絲通過刻蝕作用獲得微納織構或采用機械加工方法進行表面處理獲得微納織構。
9.根據權利要求7或8所述織的金屬絲刀具，其特征在于，所述金屬絲采用低表面能氟硅烷處理，通過硅羥基與金屬表面羥基間脫水縮合反應將氟碳鏈嫁接到金屬表面，形成同時具有強疏水性、強疏油性表面，降低切割時與生物軟組織間粘附力。
【專利摘要】本發明屬于軟物質和實驗力學技術領域，公開了一種微創切割生物軟組織的金屬絲刀具，該刀具由金屬絲刀和振動裝置組成。金屬絲通過化學方法進行表面刻蝕，具有合適的微納織構，結合振動裝置提供的往復直線運動切割方式，在切割生物軟組織樣品時可以有效降低生物軟組織和刀具間的粘附力，減少所需施加的切割力，降低切割過程中對軟組織產生的破壞作用，實現微創切割，并能切割得到精確幾何尺寸的樣品，使切割的樣品能更真實反映生物軟組織的力學性能。本刀具制作方法簡單，操作便捷，成本低廉，便于生產和推廣。
【IPC分類】G01N1-08
【公開號】CN104634609
【申請號】CN201510066828
【發明人】張偉, 馮亮亮, 吳樊, 馬建立, 馬國軍, 吳承偉
【申請人】大連理工大學
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年2月6日