高频电手术刀表面激光制备仿生鲨鱼皮微结构的研究

杨立军，刘 楠，闫程程，李 晨，陈 威，张 达

(陕西科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710021)

0 引言

随着医疗器械的发展，高频电刀因具有缩短手术时间、止血效果好、能对创口杀菌等优点，已逐渐取代传统手术刀，成为临床上主要应用的手术器械.然而，高频电刀产生的组织热效应在对组织切割和止血的同时，还会导致组织在手术电极表面黏附[1].组织粘附在电极表面不仅难以去除而且会增大整个电流回路的电阻，导致电极表面的电流密度减少，出现无法切割和凝血不充分的现象[2,3].

近年来，如何通过高频电刀表面改性来降低电极表面组织粘附已经得到各界的广泛关注.张德远等[4]在高频电刀电极表面加工微纳结构，利用微纳结构间隙的表面作用使生物相容液体润滑手术电极表面，隔离软组织与手术电极表面的接触，降低手术电极温度，从而达到抑制电极表面粘附发生的目的.Cheng等[5]仿照荷叶的超疏水乳突结构，在电极表面刻蚀出周期性分布的微-纳米颗粒，以降低电极表面的组织粘附.Lin等[6]用飞秒脉冲激光在电极表面制备出微纳米结构，处理后的表面具有更好的热传导性能，能有效避免温度过高造成的组织损伤，同时可以提高电极表面的抗粘附性.

自然界非光滑生物表面是经过长时间优化与选择形成的，仿生非光滑表面微结构不仅成本低、易实现，还能减少污染，具有重要的应用价值[7].Frohnapfel等[8]简化鲨鱼皮表面微沟槽，进行数值模拟，证明了沟槽间湍流耗散率对减阻效果有重要影响.张德远等[9]用热压印法大面积复制鲨鱼皮外表面，用水筒阻力实验证明仿生鲨鱼皮最大减阻率可达8.25%.邵静静等[10]通过介绍鲨鱼皮结构及防污原理，提出鲨鱼皮仿生作为一种全新的防污方法，无毒无污染、物理性能优良，受到越来越多学者的重视.综上所述，鲨鱼皮表面具有极好的减阻效果以及抗黏附性能，将其仿生结构应用于高频电刀的表面能够显著改善其性能，但针对仿生鲨鱼皮微结构参数对实际组织切割的实验效果罕见报道，本文正是在此基础上展开研究的.

1 实验装置与方法

实验所用材料为不锈钢316 L单面抛光薄片(规格为50 mm×50 mm×0.67 mm)和316 L不锈钢手术刀，激光加工前先将表面抛光至镜面光泽，然后依次放入丙酮、酒精以及去离子水中各超声清洗5 min.

采用英国SPI100型光纤激光器对样品进行加工，激光波长1 070 nm，功率范围10～100 W，脉冲频率1～100 KHz.整个激光加工系统如图1所示，主要包括激光发生器，光路系统以及运动系统.激光发生器产生规定功率和频率的脉冲激光，通过光路系统对激光进行偏转、折射和聚焦.实验采用的激光光束直径为 5 mm，通过反射镜与30 mm聚焦镜聚焦产生直径18μm的光斑.使激光垂直聚焦在安装于运动平台的样品表面.激光加工过程中，空气中的样品不动，通过控制运动平台的运动轨迹加工所需要的微纳米结构.

图1 激光加工系统

鲨鱼皮表面由多个菱形排列的盾鳞状鳞片组成，盾鳞表面主要由鳞脊和鳞柱两部分构成，结构如图2所示.

图2 原始鲨鱼皮结构SEM图[11]

合理处理原始鲨鱼皮表面结构参数，根据激光加工工艺并利用仿生学原理，将单个鲨鱼皮鳞片抽象简化为正方形结构，自主设计仿生鲨鱼皮微结构，其结构示意图如图3所示.采用光纤激光器在不锈钢316 L表面加工仿生鲨鱼皮微结构，加工结果如图4所示.

图3 优化后的鲨鱼皮表面微结构

图4 仿生鲨鱼皮表面SEM图

具体仿生微结构尺寸介绍如下：设正方形盾鳞边长为L(依次取600μm、800μm和1 000μm)，盾鳞间距为D(依次取150μm，300μm和450μm)，在电刀表面进行实验.实验获得在激光功率P为15～21 W，频率1 000 Hz，扫描速度5 m/min，占空比50%的参数下，制备的微纳米结构清晰规整、表面质量好.因此，依次取15 W、18 W和21 W的激光功率进行表面加工实验，实验参数如表1所示.

表1 激光加工参数表

高频电刀在对组织进行切割和止血的同时还会造成组织在电刀表面的粘附.高频电刀进行组织切割时，刀头首先和组织发生接触，产生摩擦作用，摩擦力越小，越有利于刀具切割；其次，电刀切入组织，发生组织粘附.因此，实验主要针对微结构的摩擦性、微结构疏水性、液体减阻性以及粘附性进行分析验证.

2 实验分析与讨论

2.1 仿生鲨鱼皮结构摩擦性分析

将猪肝切成φ45 mm、厚2 mm的圆盘形薄片固定在φ45 mm、厚6 mm的金属底板上，刀具切割成5 mm长的长方形长条固定在6×7×8 mm的定位销上.设置实验参数：加载力10 N，主轴转速10 r/min，室温环境进行实验.然后使用MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机检测刀具基体材料与猪肝制件的摩擦磨损.每组实验进行3次求取平均值作为结果，各组摩擦系数如表2所示.

表2 仿鲨鱼皮表面微结构摩擦系数表

由摩擦系数表2可知，9号件的微结构参数最有利于减少摩擦，得出本次实验降低高频电刀摩擦性的最优仿生鲨鱼皮微结构加工参数为：P=18 W，D=300μm，L=800μm.对以上结果进行正交试验方差分析，结果如表3所示，可知对仿生鲨鱼皮微结构摩擦性影响因素的大小依次为：盾鳞间距(D)>激光功率(P)>盾鳞边长(L)；针对最优盾鳞间距D=300μm的解释为：微结构的存在使得单位面积下电刀接触面减少，表面摩擦力减少，但当盾鳞间距过小(D=150μm)时，沟槽过密会提升电刀单位面积表面粗糙度导致摩擦力增加.仿生鲨鱼皮结构最大可减少21.88%的摩擦阻力.

表3 微结构摩擦系数正交试验结果

2.2 仿生鲨鱼皮表面液体减阻分析

2.2.1 仿生鲨鱼皮表面疏水性

在仿生鲨鱼皮微结构表面多次进行接触角实验，求取平均值，检测微结构表面疏水性，实验结果如图5所示.

(a)1号件 (b)2号件

(c)3号件 (d)4号件

(e)5号件 (f)6号件

(g)7号件 (h)8号件

(i)9号件 (j)原始件图5 不同参数样品表面接触角

原始件为光滑基体表面，其接触角为68 °.对实验结果进行正交试验方差分析结果如表4所示，可见RL>RP>RD，即影响仿生结构疏水性因素的大小依次为盾鳞边长(L)>激光功率(P)>盾鳞间距(D).考虑到液滴与仿生鲨鱼皮表面的接触是一种复合接触，液滴不能填满粗糙表面的凹槽，因此选择CASSIE模型(cosθ*=f1cosθ1+f2cosθ2)，进行分析得出表面接触角.实验结果表明仿生鲨鱼皮表面接触角均大于光滑基体表面接触角，即仿生鲨鱼皮微结构表面能够增加高频电刀表面疏水性，接触角最大可提升21%.面纹理的引入，减少固液相接触面积，提升表面.

表4 微结构疏水性正交试验结果

2.2.2 FLUENT仿真减阻

通过三维建模软件Pro/ENGINEER建立不同盾鳞间距与边长的三维模型，根据光纤激光器在刀具上制备的实际仿生鲨鱼皮微结构和前期实验测量结果，设置微沟槽宽度100μm深度3μm，共建立5个仿真组，其参数设置如表5所示.

表5 猪血域光滑表面与仿生鲨鱼皮织构仿真参数表

将建立好的仿真模型导入FLUENT软件中，设置刀具切割肉的速度为1 000 mm/min即0.016 7 m/s，设置血液流速为0.1 m/s，根据雷洛数计算公式可得雷洛数范围为61.13～65.28远远小于层流与湍流的临界雷洛数，所以刀具在切割猪肝组织细胞时的血液与刀具间的流动黏附状态为层流状态，选择经典的Laminar层流模型来计算仿生鲨鱼皮微结构减阻效果.

为使仿真结果更能反映高频电刀切割组织的实际情况，选择猪血作为计算材料，设置血液密度1.05×103kg/m3，血液粘度8.24±2.27 mPa·s[12]，温度20 ℃时，导热系数0.532 W/M*k[13]，比热Cp=0.019 0t+ 3.362[14]，计算得Cp为3.742 J/(g*K)；刀具在实际切割时是常温环境，设置切割温度为293.15 K，切割的刀具温度为523.15 K[15].计算猪血环境下仿生鲨鱼皮微结构对刀具表面的减阻情况，仿真计算结果如表6所示.

表6 猪血域光滑表面与仿生鲨鱼皮织构摩阻系数及减阻率计算结果

根据表6中的数据可知，仿真中刀具表面仿生结构最大可以减少2.16%的阻力，因此光纤激光器加工的仿生鲨鱼皮微结构在刀具切割组织时具有减小摩阻系数的效果.表面纹理的存在，使得沟槽底面产生小涡流，如图6所示，小涡流相互作用限制大涡流的产生，因此大量低速液体积聚在底面，减少阻力系数.

(a)电手术刀微结构表面剪切应力云图

(b)电手术刀微结构表面上流体速度分布云图图6 FLUENT仿真结果图

猪血环境下的最优减阻参数为盾鳞间距150μm，鳞片大小600μm，仿生表面减阻率随着盾鳞间距的增加而减小，随着鳞片边长的增加呈现先减小后增大的趋势.

2.3 仿生鲨鱼皮表面粘附性分析

将新鲜猪肝切成宽2 cm、高2 cm的长条状，用夹具夹持在数控机床的工作台上，将高频电刀安装在卡盘上，设定加工参数：切割深度12 mm，切割速度1 000 mm/min.将电刀加热至250 ℃±10 ℃，在室温条件下进行实验，猪肝组织黏附情况如图7所示，其中图7(a)为原始件表面粘附情况，图7(b)为仿生鲨鱼皮结构表面粘附情况.

(a)原始件

(b)实验件图7 猪肝组织黏附图

该实验重复三次，测量结果如表7所示.

表7 电刀表面粘附质量均值表

由实验结果可知，仿生鲨鱼皮结构表面能有效减少猪肝组织的粘附.9号件的参数最有利于减少组织粘附，本次高频电刀抗粘附的最优仿生鲨鱼皮微结构加工参数为：P=18 W，D=300μm，L=800μm.对实验结果进行正交试验方差分析，结果如表8所示，可得影响电刀粘附量因素的大小依次为：盾鳞间距(D)>激光功率(P)>盾鳞边长(L).针对最优盾鳞间距D=300μm的解释为：单位面积下沟槽间距越小，组织在基体上的粘附量越少，但沟槽间距过密提高电刀表面粗糙度，增大组织在基体上的粘附量.与影响摩擦系数分析结果一致，说明摩擦力在抗黏附中起主要作用.实验测得仿生鲨鱼皮结构最大可减少16.91%的组织粘附量.

表8 微结构粘附量正交试验结果

3 结论

仿生鲨鱼皮表面微结构能够有效改善电刀表面与组织切割面的接触情况，有效降低切割组织过程中的摩擦力，减小组织的粘附.仿生鲨鱼皮结构摩擦性分析实验结果表明：仿生鲨鱼皮结构最大可减少21.88%的摩擦阻力.仿生鲨鱼皮表面疏水性研究结果表明：仿生鲨鱼皮微结构表面能够增加高频电刀表面疏水性，接触角最大可提升21%.FLUENT仿真减阻分析结果表明：FLUENT仿真中刀具表面微结构最大可以减少2.16%的阻力.仿生鲨鱼皮表面粘附性分析结果表明：影响仿生鲨鱼皮微结构摩擦性与粘附量的因素大小依次为：盾

鳞间距(D)>激光功率(P)>盾鳞边长(L).仿生鲨鱼皮微结构中，摩擦力是影响组织粘附的主要因素.仿生鲨鱼皮结构表面最大可减少16.91%的组织粘附量.