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吴承伟:人造微针来自蚊子口针的启示

时间:2011-04-14 13:44来源: 作者:

  儿童医院的检验科和注射室常常哭声不断,亮晶晶的针头是孩子们的梦魇。成年人虽然不至于哭出来,但很多时候,如糖尿病患者,频繁挨针也是一件痛苦的事情。

  人类能否摆脱对针刺的恐惧?

  血糖仪制造商把针越做越细。去年,LifeScan曾推出一款全新的采血针,比之前业界通用的针尖细了40%。这一产品引起轰动。

  但是,它离完美还很远。

  在这方面,大自然已经造就了一个完美的典范——蚊子的口针,人类正在想尽办法去模仿。

  真正的无痛针头

  无痛吸血,只有蚊子能做到。

  首先要说明的是,被蚊子叮咬之后感觉痛痒,其实是因为蚊子向人体传输的有毒唾液引起皮肤发炎。有人认为这些唾液的主要作用是防止血液在蚊子口针中凝固,以便顺利完成吸血过程。但实际上,把该唾液管切断后,蚊子照样能顺利完成刺入与吸血的过程。所以,蚊子的“针”功夫是真功夫。

  我们先研究一下蚊子口针刺入皮肤时最关键的两个部件:上唇和下颚。上唇尖端部位很尖,曲率半径约为100~200纳米,远小于常规金属材料的晶粒尺寸(例如工业纯铁晶粒尺寸为1~100微米),这么小的“针尖”用普通金属材料是很难制作的(普通缝衣针的针尖曲率半径约为100微米)。

  蚊子的下颚尖端也十分锋利,曲率半径约为几百个纳米。有趣的是,它下颚的外侧和内侧均长着一排微小而精致的锯齿状结构(见图),这些锯齿的齿尖更为锋利,曲率半径约为50~150微米。一般来说,蚊子种类不同,下颚尖端处的锯齿数目也会不同。那些长着14个以下锯齿的蚊子主要以人类血液为吸食对象,锯齿数目更多些的则主要吸食家畜的血液。微纳锯齿数目越多,刺入皮肤能力越强。

  我们用纳米压痕技术测量了蚊子上唇与下颚的力学性质,结果发现:其弹性模量与聚合物材料相当,表面硬度则可媲美金属材料,并且越接近尖端表面硬度越高。正是这个内柔外刚的力学性质使得蚊子口针不但能轻易刺入皮肤,还可以在皮下自由弯曲以寻找毛细血管。

  用高速摄像机观察发现,蚊子口针刺入皮肤的过程并不是简单刺入。

  刺破前蚊子会将其口器绷直,快速地刺向皮肤。这是一个动态冲击的过程:上唇尖端首先刺破皮肤表面,此后,随着刺入深度的增加,伴有周期性的振动,从而驱动带有微纳锯齿的下颚锯开皮肤。在振动刺入初始阶段,蚊子头部振动频率较高,约为10~15赫兹;在中间刺入阶段,振动频率逐渐降为6~8赫兹;振动末期阶段振动频率仅为3~5赫兹左右。 (责任编辑:glia)

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