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1. 文章导读

高频电刀是目前外科手术中最常用的医疗器械之一，其以焦耳热效应主导可同步实现肌体组织气化切割和血管封闭止血。然而，电热耦合诱导的刀具表面强粘附、组织高热损伤等问题，制约了手术质量的提升。近期，华南理工大学的陆龙生教授带领科研团队，从自然界鲨鱼皮表面独特的微纳形貌中获取灵感，创新性地提出将仿生微结构与绝缘氧化铝纳米涂层相结合的方案，研发高性能高频电刀。这一设计能够有效削弱焦耳热效应，实现主动放电激发与防粘降损的协同作用效果，从根本上改善了高频电刀的性能表现。研究成果以《Micro/nano-manufacturing of bioinspired blood-repellent surfaces for extreme application in surgical electrodes》为题，发表于《极端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJME）期刊。图文解析（创新研究/研究亮点/研究进展）

受鲨鱼皮表面微纳形貌启发，研究者设计了一种由菱形单元阵列构成的仿生微结构，其菱形单元包含排列交替的沟槽和肋结构。通过以下工艺步骤实现仿生微纳结构复合表面（Al₂O₃@BSS）的制造：首先采用纳秒激光加工技术构建仿生微结构、随后利用原子层沉积（ALD）技术沉积绝缘氧化铝纳米涂层、最后以低温热处理工艺完成表面改性。所制造的复合表面血液接触角超过150°，较初始表面提升60%以上（如图1所示）。该复合表面可通过改变初始表面与肌体组织的良导体接触模式，削弱焦耳热效应。

图1. 仿生微纳结构复合表面（Al₂O₃@BSS）制造及表征。

研究中通过可视化实验揭示复合表面与血液液滴的动态界面行为是一大亮点。针对电刀工作时包埋组织内部导致的界面行为观测难题，研究者设计了集成精准温控系统的可视化装置，实现热场中血液液滴动态演变的实时观测。研究发现，在马兰戈尼流传质效应与基部凝固物应力释放的协同作用下，血液凝固物可主动脱离复合表面以维持洁净。同时结合红外原位观测技术构建热阻网络分析模型，解析了热场能量传递机制。该可视化方法为新型表面与生物组织相互作用研究提供了新方向（如图 2 所示）。

图2. 热场作用下血液液滴在复合表面上的动态演变。

研究发现，无涂层电刀（含微结构）作用组织时，其能量传递过程从焦耳热阶段过渡到强放电阶段，这源于焦耳热效应促使组织脱水、阻值增加形成“绝缘层”取代原有“导电层”。当绝缘层厚度及电荷密度分别达到临界值时，电弧放电被激发并高效烧蚀组织。而氧化铝纳米涂层的引入，相当于在电刀与组织之间主动构建绝缘层。当涂层电刀接触组织时，可直接激发放电现象（如图3-图4所示）。氧化铝涂层、微结构形成的空气阻隔层、以及电弧烧蚀形成的干燥组织层三者协同，可降低流经组织的电流密度，有效削弱焦耳热效应，从而减少组织热损伤。

图3. 仿生微纳结构电刀主动放电激发机理研究。

图4. 主动放电激发现象。

研究团队采用电切和电凝双模式对活体小鼠皮肤实施切割操作，与传统电刀对比发现，Al₂O₃@BSS复合电刀在维持高效切割和止血功能的同时，展现出显著的防粘降损优势（如图5所示）。通过H&E染色切片进行组织学分析，依据细胞形态差异区分正常组织与热损伤组织，实现微米级精度的热损伤深度定量检测。数据显示，复合电刀可使热损伤深度较传统电刀降低 53% 以上。

图5. 动物实验验证（C57小鼠皮肤切割）。

4. 总结与展望

本研究通过仿生微结构与绝缘纳米涂层耦合设计，实现了主动放电激发与防粘降损协同优化效果，为高性能电刀设计制造提供了新思路和新方法，对提升手术质量具有重要的科学意义与应用价值。未来可结合多样化微结构设计、高介电涂层等深入探索多场耦合作用下电刀-组织交互机制，为复杂临床场景下的精准能量手术设备研发奠定理论基础。