基于能量的生物組織吻合技術研究進展

胡鐘欣，宗乃馨，黃婷，宋成利，毛琳

上海理工大學 醫療器械與食品學院，教育部現代微創醫療器械及技術工程研究中心（上海 , 200093）

0 引言

隨著全球環境的惡化和不健康飲食習慣的養成，癌癥已成為21 世紀人類健康的最大威脅，近年來呈現明顯的年輕化、復雜化趨勢，且癌癥帶來的社會化問題也日益突出。最新的全球癌癥調查報告顯示［1］，2018 年全球范圍內癌癥死亡人數高達960 萬例，其中結直腸癌的死亡率達到9.2%，位居第二位。目前，外科手術仍是治療結直腸癌最有效的方法，治療過程包括癌變組織的切除和殘余部位的吻合。臨床上常用的組織吻合方式包括手工針線縫合和機械吻合器吻合［2-3］，但這兩種技術均會導致吻合口炎癥和排異反應等不良后果，影響手術的治療效果和患者腸道結構功能的恢復。

隨著醫療技術的進步，吻合技術開始向著微創化、智能化與精準化方向迅速發展。對生物組織進行無針創、無異物殘留的吻合，可避免組織出血，有利于患者術后恢復。近年來，相繼出現了生物粘合和能量焊接等新型生物組織吻合技術，但目前常用的組織粘合劑存在粘接彈性差、組織毒性強與排異反應等明顯不足［4］，尚未得到臨床推廣。而基于超聲、激光與射頻電流等能量的新型吻合技術可實現免縫合、無異物殘留的生物組織快速連接，能夠減少術后并發癥的產生，提高吻合手術的安全性和組織重建質量，有望進一步推動外科手術的進步和發展。本團隊系統地介紹了包括超聲、激光與射頻電流在內的能量在生物組織吻合方面的應用，初步探討相關的組織吻合機理，為開發新型微創組織吻合器械提供理論支撐，促進我國高端醫療器械行業的發展。

1 生物組織吻合能量的分類

1.1 超聲能量

超聲是最早用于生物組織的能量，可在生物體內產生熱效應和空化效應。低頻率的超聲可完成組織的止血，而中高頻率的超聲可用于組織的切割和吻合。超聲吻合技術［5］通過能量發生裝置（如超聲刀）的前端元件（如超聲刀的刀片）向生物組織傳輸超聲能量和機械壓力，誘導組織發生生物學反應，實現待吻合組織穩定、有效地連接，該技術具有無針創、煙霧小、術中視野清晰度好等顯著優勢。基于超聲能量的組織切割和止血效果已得到初步證實，而對組織進行吻合時，由于吻合強度較低，難以在臨床應用中推廣。

1.2 激光能量

激光是原子受激輻射產生的光，與普通光相比具有更強的方向性、單色性和相干性。激光焊接技術使用激光能量照射生物組織，刺激光熱效應的產生，在焊接口處積聚熱量，增強組織內分子活動狀態，導致蛋白分子變得松散；在焊接過程的后期，隨著激光能量的減弱，熱量減少，組織內蛋白質分子與相鄰分子再結合以形成穩定的連接，最終完成生物組織的吻合。研究發現［7-10］，低功率CO2激光、Nd:YAG 激光、氬激光和二極管激光等均可用于皮膚、血管、神經、腸道等組織的切割和吻合，且焊接過程無異物感染、吻合區域炎癥反應弱。然而，激光焊接過程中存在激光強度不可控，焊接溫度難控制等技術難點，易導致組織燒傷、組織內膜增生等不良后果。

1.3 射頻電流

高頻電流是電流頻率超過10 kHz 的交流電，其中高頻段（300 kHz ～300 GHz）區域的電流被定義為射頻電流。當高頻率的電流通過生物組織時，組織處會發生電熱效應，產生的熱作用能夠誘導組織水分汽化和蛋白質變性，從而達到切割、閉合組織的效果。1924 年Wyeth 公司［11］首次發現高頻電流可用于組織止血和切割，自此開啟了高頻電流在外科手術的應用開端。20 世紀90 年代初，烏克蘭巴頓焊接研究所［12］首次將射頻電流用于生物組織的焊接。相比于其他能量吻合技術，射頻吻合術能夠集止血、切割、吻合于一體，可極大地簡化手術流程，有效減少生物組織的感染風險，提高手術質量。

2 不同能量吻合技術在實際應用的比較

2.1 血管吻合

血管組織因其尺寸小（3 ～7 mm），內膜脆弱，導致手工針線縫合的操作難度大，而機械吻合后的金屬釘會殘留在體內，易造成出血、梗塞，引發局部炎癥等不良反應的發生。由于血管愈合是細胞增殖和膠原合成的復雜過程，血管內的膠原蛋白對溫度較為敏感，故研究人員嘗試使用外界能量在組織局部產生熱量，用于組織的止血、吻合，這種方法能夠縮短操作時間，提高吻合效率。

超聲吻合技術是使用高頻超聲能量對血管組織進行止血、切割和吻合。臨床實驗發現［5］，超聲能量可成功吻合直徑為3 ～5 mm 的血管，且對周圍組織的熱傳導不超過3 mm，局部熱損傷小，手術安全性高。而隨著血管尺寸的增加，超聲吻合的效果隨之降低，為獲得理想的吻合口強度，研究人員［6］通過優化控制算法，監測組織狀態，實時檢測并調節超聲強度等方法，對最大尺寸為7 mm 的血管成功進行了吻合。

1979 年，Jain 等［7］首次使用激光能量進行血管的修復，驗證了該技術的可行性與安全性。為提高血管焊接的成功率，Nakadate 等［10］在焊接過程中向組織施加一定的壓力，結果顯示，壓力組的成功率（83%）明顯高于無壓力組（17%），表明外界壓力在一定程度上可提高焊接強度。Bremmer 等［13］使用308 nm 準分子激光進行兔主動脈（直徑約4 mm，接近人體的頸內動脈直徑尺寸）的吻合實驗，結果表明，激光功率、機械壓力、激光次數等因素均會影響最終的焊接效果。雖然對血管施行激光焊接具有一定的優勢和臨床應用潛力，但是焊接過程中的溫度難以控制，溫度過低易造成吻合口焊接強度不足，溫度過高則導致組織粘連、碳化。

相較于超聲能量和激光能量，射頻電流的可控性更強，單位時間內傳輸的能量更多，從而呈現明顯的技術優勢。1998 年，Kennedy 等［14］首次使用射頻電流進行動、靜脈血管的吻合，隨后研究人員［15］對射頻吻合和超聲吻合進行比較，結果表明射頻電流組的吻合效果明顯優于超聲組，提示射頻能量焊接技術的有效性。Pearce［16］對射頻能量血管吻合過程進行了有限元模擬，同時進行了相關的動物實驗研究，并分析了組織熱損傷的控制方法，以提高組織焊接效果。

2.2 結直腸的切割與吻合

腸道和血管作為生物體內的管腔組織，在組織結構和蛋白質成分上高度相似，但由于腸道尺寸與管壁厚度均大于血管，從而需要更高強度的能量對其進行切割和吻合。

臨床研究中，超聲能量常用于腸道組織的凝固和止血。激光能量常用于血管和神經的吻合。而結直腸組織因其尺寸較大，且腸壁較厚，無法使用純激光進行吻合，因而常采取加入白蛋白、固定支架等方法以提高焊接強度。沈滌華等［9］通過統計手術時間、測量爆破壓和考查組織病理學等方法，定量比較了手工縫合、純激光焊接和基于支架的激光焊接方法的腸道吻合效果，結果顯示，基于可降解支架的CO2激光腸道焊接方式吻合口強度高、愈合效果好，術后炎癥反應輕。

目前常用的射頻能量焊接設備平臺（如：LigasureTM）主要用于血管組織的吻合，無法直接用于豬小腸的閉合 。2007 年，Smulders 等［17］采用新一代的射頻能量發生平臺和新型吻合器設備，對豬回腸組織進行了側側吻合，研究結果驗證了利用射頻能量焊接腸道組織的可行性。2010 年Winter 等［18］利用雙極射頻能量對豬的結腸組織實施離體吻合，并對主要技術參數進行優化，結果發現，結腸組織吻合口的爆破壓與施加的壓合壓強相關，且增加組織的壁厚可提高吻合口質量。2012 年，Kr?ger 等［19］對大鼠的盲腸組織進行了射頻焊接，并對組織熱損傷進行了檢測，結果發現，組織熱損傷與壓合壓力、吻合時間和焊接溫度有關，并可通過優化焊接工藝參數在一定程度上控制組織熱損傷。2016 年Gehrig［20］比較了LigaSure 射頻能量閉合系統、手工針線縫合和吻合釘的腸道吻合效果，結果顯示，經射頻焊接后的小腸的爆破壓明顯低于手工縫合對照組和吻合釘組，LigaSure 系統能否用于腸道組織的吻合還需進一步的活體實驗驗證。2020 年，Pan 及其團隊［21］成功實施了活體體內實驗，比較了Ligasure 射頻吻合技術和手工針線縫合技術的焊接效果與后期愈合情況，研究發現，射頻吻合區域的肌層間隙富含膠原纖維，且吻合口的增殖細胞核抗原陽性細胞數量明顯高于手工針線縫合組，射頻吻合技術有望成為一種安全有效的新型體內吻合技術。

2.3 皮膚組織修復

皮膚作為生物體覆蓋面積最大的組織，可保護機體免受外界的機械物理性損傷、病原微生物感染等侵害。結構完整、功能正常的皮膚組織對維持機體正常運作具有重要意義，而皮膚創口的愈合過程受多種因素影響，如皮膚含水量、巨噬細胞數目、外界電離輻射等。自20 世紀70 年代以來，臨床上普遍使用壓力療法治療皮膚創痕，但因其治療難度大、復發率高，對患者易造成心理和生理的雙重困擾。而基于能量的生物組織吻合技術具有快速、穩定連接、無異物反應等優勢，可加快創口的愈合速度、促進組織新生，可為皮膚修復提供新的思路。

在激光能量的照射下，皮膚中的血紅蛋白、黑色素、膠原蛋白等物質會選擇性的吸收光能，使分子結構發生熱改變后在組織創口處交聯融合，從而完成皮膚修復。在創口愈合初期，使用中低強度的CO2激光進行疤痕治療，可明顯改善患者的疤痕厚度、疼痛度、患處瘙癢程度等。研究發現［22］，只有充足的激光能量才可達到滿意的修復效果；當激光輸出功率過低或焊接時間過短時無法成功修復組織，而過高的激光頻率或長時間的激光焊接會在吻合口處積聚熱量，誘發組織變性凝固，造成切口的不可逆熱損傷。因此，使用激光進行皮膚組織的焊接時，應準確控制能量的輸出功率和焊接時間。

射頻能量通過激發空氣中的氮生成等離子火花，在穩定狀態時釋放熱量，誘導表皮和真皮組織再生，從而實現皮膚組織修復。2017 年，Wang等［23］將射頻能量用于瘢痕患者的治療，術后治愈率高達86.3%，且患處的瘢痕顏色、瘢痕厚度和皮膚柔韌性等方面有顯著改善。該技術治愈率高、恢復時間短、并發癥少，因此被認為是最為安全的治療方式。

3 能量的吻合機理

機體創口的愈合過程主要經歷三個時期［31］，分別是急性炎癥期、增殖期、重塑/ 成熟期。在吻合完成后的24 ～96 h 內，創口局部發生膠原蛋白的降解和合成。由于膠原纖維是構成軟組織結構的重要部分，可為組織提供生物力學支撐，使生物組織具有彈性和韌性，因此膠原纖維的合成狀況將決定軟組織愈合后的機械拉伸強度。

為探究基于能量的生物組織吻合機理，光學顯微鏡技術、掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope， SEM） 技 術、 透 射 電 子 顯 微 鏡（transmission electron microscope, TEM）技術、拉曼光譜技術等被用于觀察組織吻合過程中的微觀形態變化。光學顯微鏡技術可觀察到完整的組織切片狀態，但只可進行基礎的定性分析；透射電子顯微鏡技術可觀察到組織的超微結構，便于對細胞和膠原纖維的細微改變進行定性分析；拉曼光譜技術可通過對光譜的波峰變化定量分析蛋白質分子的振動情況，便于研究能量吻合組織的生化機制。

3.1 超聲的吻合機理

超聲吻合過程中，前端元件積聚熱量，組織水分在熱作用下發生汽化，細胞失水破損，同時前端元件55 kHz 的超聲頻率可削弱膠原分子內的氫鍵作用力，導致組織斷裂，從而完成生物組織的切割。隨著超聲能量減弱，傳遞的熱量減少，斷裂的組織再次交聯，最終實現生物組織的吻合。Fosehi 等［25］使用掃描電鏡和透射電鏡分析了超聲吻合后的血管超微結構，研究證實，超聲能量通過熱效應實現膠原蛋白和細胞外基質蛋白的變性和再凝結，最終成功吻合生物組織。

3.2 激光的吻合機理

當激光作用于生物組織時，會產生不同的生物學效應：熱效應、光化學效應、壓強效應、電磁場效應、生物刺激效應。在激光照射下，生物組織的熱效應能夠破壞膠原纖維間的氫鍵，隨著組織的冷卻，蛋白質分子間會重新形成共價鍵和非共價鍵［26］，從而完成組織融合以形成穩定的交聯。然而，Bremmer 及其團隊采用高速成像、高對比度成像、高靈敏度成像等技術對準分子激光輔助無閉塞吻合術（ELANA）的機理進行研究，觀察到吻合過程中的熱效應極其微弱，認為其吻合機理是機械性質的組織內分子連接，而非熱量誘導的蛋白變性行為。

3.3 射頻能量的吻合機理

射頻電流作用于生物組織主要存在兩種效應機制：一種是細胞膜的電穿孔效應，另一種是電流的熱效應。射頻能量焊接技術利用這兩種作用機制，以組織細胞的蛋白質作為焊接原料，利用生物組織熱效應達到組織吻合的目的。當射頻電流能量作用于生物組織時，較高頻率的電流在細胞膜表面形成可逆性電穿孔［27］，誘導胞內蛋白析出進入細胞間質，為組織焊接提供充足的蛋白質。焊接過程中，射頻電流通過生物組織時，電流在生物阻抗［28］的作用下轉化為熱能，組織細胞失水［29］，蛋白質的三螺旋結構發生變性，解鏈為隨機卷曲的多肽鏈，在外部的機械壓力作用下再次形成穩定的交聯［30-31］，從而實現生物組織的有效焊接。

4 總結與展望

基于能量的吻合技術是通過能量實現對組織結構的重建。能量吻合術作為一種連續的、無異物殘留的新型生物組織吻合技術，與傳統的手工針線縫合和機械吻合器相比，可徹底擺脫外界異物對吻合口愈合的影響，提高吻合質量并簡化手術操作流程，具有廣闊的臨床應用前景。

目前普遍認為，基于能量的生物組織吻合涉及能量、熱、蛋白結構重組等多個方面，現階段仍未揭示組織吻合中膠原變性及蛋白質重構的本質特征。在未來的研究中，可通過生物化學類方法對吻合前后組織內成分變化進行量化，并研究能量作用下膠原分子解螺旋、氫鍵結合以及新肽鏈形成的過程，從而建立蛋白質三維構象演變的物理模型。通過明確吻合區域生物組織、細胞、蛋白質微觀結構的變化，建立能量吻合的基本理論，進一步闡明生物組織吻合機理，為我國自主研發基于能量的生物組織吻合器械奠定理論基礎。