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先导项目创新成果:高频电场活体软组织快速焊接项目取得重要进展
发布时间:2023-05-18        浏览次数:130

       人体软组织吻合是常见的外科手术类型,目前外科手术主要依靠医生手工缝合,或者采用一次性订式缝合器进行缝合。本项目在引进乌克兰巴顿研究所高频脉冲电场活体组织焊接技术基础上,进一步开展自主创新研发,旨在实现技术国产化,并应用于我国外科手术,对于缓解我国医疗成本压力和提高医疗水平具有重要意义。

图1 复旦大学与乌克兰巴顿研究所国际合作交流

在复旦大学工程与应用技术研究院(以下简称“工研院”)先导项目的支持下,经过复旦大学信息科学与工程学院/工研院刘克富教授和复旦大学附属华山医院项建斌教授团队的不懈努力,近期高频电场活体组织焊接吻合项目取得重大进展,相关成果发表在《Biomolecules》等杂志,受到国际同行关注,并已成功应用于活体动物软组织焊接吻合实验,达到预期手术效果,具有工程化和产业化应用前景。

本项目主要成果如下:

一、阐明高频电脉冲生物医疗软组织焊接作用机理及关键技术

1)通过病理实验,对胶原蛋白含量进行检测,发现随着压强或电压的增加,组织中胶原蛋白干重含量增加。通过对组织切片进行天狼星红染色,比较了焊接前后胶原纤维结构的变化,即焊接后胶原纤维准直性明显增加,组织爆破压增强(如图2所示)。

2)开展了肠道焊接的相关机理研究,主要是胶原蛋白的交联相关研究。通过拉曼光谱检测焊缝部位胶原蛋白位点变化,发现胶原蛋白的二级空间结构发生改变,产生不可逆还原型交联。

3)确定了高频电场软组织焊接过程中生物组织电阻抗U型曲线变化规律(如图3所示),可以用于表征和预测软组织焊接强度,对于实现电吻合医疗仪器自反馈控制研制具有重要指导意义。

4)研究了电功率参数、温度、压力和时间等关键参数对软组织焊接效果的影响。确定了最佳温度、压力和时间,在最佳温度以内10秒时间左右即可完成焊接吻合手术。同时开展了软组织肠管焊接热损伤机理实验研究。研究表明,在一定电功率条件下,短时间内不会过度蔓延软组织损伤范围。时间过长组织结构被破坏,细胞破裂变形严重,界限不清分布杂乱,细胞核固缩、溶解或消失(如图4所示)。

2 软组织焊接后胶原纤维准直性明显,胶原蛋白位点变化

图3  高频电场和压力作用下软组织温度和电阻抗变化曲线

4 高频电场软组织焊接温度分布及热损伤机理研究

二、研制完成高频电脉冲活体组织焊接手术治疗仪硬件和软件系统

       研制完成2套具有自反馈和保护功能的恒压源发生器和恒流源发生器,在离体和活体动物肠管焊接手术中已获得成功应用。自主研制的电动式肠道端端焊接手术器械在大型活体实验中获得验证(如图5所示)。

5  高频电脉冲活体组织电动焊接手术器及高频电源研制

三、采用自主研发的电动式吻合器,首次成功实现大型动物体内肠管外翻式端-端吻合焊接手术

开展了离体肠管爆破压焊接实验研究,爆破压随着时间的延长而增大,热损伤距离相应增加。通过动态阻抗出现拐点可以预测组织焊接成功,且达到一定强度,如图6所示。首次成功实现大型动物体内肠管外翻式端-端吻合焊接手术,手术时间短,出血少,无异物残留。手术后5天即可恢复正常生活,成功率达到100%。病理切片表明肠管吻合口部位恢复平滑,无疤痕(如图7所示)。

6 离体肠管焊接爆破压及切片染色实验

7 首次成功实现活体动物软组织肠管焊接吻合、凝血、闭合等手术

高频电场软组织焊接吻合手术可大幅度缩短手术时间,降低出血量,在保证手术效果的同时,有效降低医生工作强度和医疗成本,可应用于直肠、肺、泌尿、乳腺、妇科、皮肤、器官移植等外科手术,特别适用于野外紧急治疗、急救站、空中医疗服务等。工研院持续服务先导项目,积极协助具有成果转化前景的项目对接政府、企业资源及社会资本,打通科技成果转化的最后一公里。欢迎有意向推广本项目成果的医院、医生或其他相关机构与工研院联系。


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