一種氧化石墨烯血栓去除盾構針及其制備

【作 者】楊玉婷，鐘遠堅，趙立春，宋元博，于麗

廣西中醫藥大學，南寧市，530200

0 引言

動脈粥樣硬化是臨床常見的慢性炎癥性疾病之一，其病因與肥胖、吸煙、高血壓以及血脂異常等密切相關[1]。各種病因導致的腦動脈主干或皮質支動脈粥樣硬化，會導致血管內膜增厚、管腔狹窄閉塞和血栓形成，如果不對血栓進行及時處理，就會引起心絞痛、高血壓、心肌梗死、中風和類似病癥。目前動脈粥樣硬化已成為臨床中的一種多發病和常見病，對人類的生命健康造成嚴重威脅[2-3]。

目前在國內，對血栓疾病治療方法主要有藥物治療和經皮冠狀動脈介入治療以及機械取栓。目前臨床常用的抗血栓藥物為他汀類、環氧化酶抑制劑等藥物，長期服用毒副作用大。且溶栓藥物一旦使用不當，很容易導致消化道及顱內出血，甚至全身出血，嚴重時將危及生命[4]。

而經皮冠狀動脈介入治療是用特殊的傳送系統將支架輸送到需要安放的部位，支架將堵塞的血管開放、疏通。但支架手術后并不等于這個血管或者這個部位不會再次發生狹窄或者堵塞。患者動脈內永久性存在金屬異物及機體持續炎癥反應，都容易導致血管炎癥、血管再狹窄、血栓形成及支架內新生動脈粥樣硬化[5-7]。

最常見的血栓去除技術為機械取栓技術或栓塊旋磨技術，機械取栓技術就是采用特殊裝置將栓塊吸住并拉出的操作，而栓塊旋磨技術多采用驅動軸帶動高速旋轉的磨削鉆頭對栓塊進行磨削。上述兩種技術都具有各自的弊端，機械取栓技術難以對小血栓進行去除，而栓塊旋磨技術在磨削大栓塊的過程中，會產生比較微小的栓塊，這些小栓塊會進入較細的血管，造成進一步的栓塞，同時，磨削的過程無法對血管壁、栓塊等具體磨削條件進行精細分析，而且磨削過程可能會導致血管壁破損，這就會造成該處血管發生感染。

石墨烯具有理想的二維晶體結構，由碳原子以sp2雜化緊密排列而成，厚度僅有0.3 35 4 n m，是目前發現的最薄的二維材料[8]。石墨烯具有極好的物理性能，其導熱系數高達5×103W·m-1·K-1，是金剛石的3倍[9]；石墨烯理論比表面積達到2 630 m2·g-1；電阻10-6Ω·cm，是目前已發現的電阻率最小的物質[10]；石墨烯具有多種衍生物，氧化石墨烯是由石墨烯氧化而來的，具有芳香結構，與石墨烯相比，氧化石墨烯的比表面積和層狀結構更大。且具有大量如羰基、羥基、羧基和環氧基團等含氧基團[11-12]。氧化石墨烯還具有大的比表面積、良好親水性、優良生物特性、較好生物相容性、低細胞毒性等優點[13]。由于石墨烯及其衍生物特殊的納米結構和優異的物理化學性能，優異的耐腐蝕性和表面化學結構易調控性等特性，被廣泛應用于電子學、光學、磁學、生物醫學、催化、儲能和傳感器等領域[14-17]。

本研究針對現有技術的不足，提供了一種氧化石墨烯血栓去除盾構針及其制備方法。其獨特的釋放套管及自轉針頭設計能夠提高旋磨精度，實現對大、小血栓進行清除并施加溶栓藥物，降低二次栓塞概率及防治血管破損感染；自轉針頭上設置有施藥孔及吸附孔，能在旋磨過程中施加溶栓藥物及吸附小塊血栓，有效避免血管二次栓塞；另外，在自轉針頭上涂覆了氧化石墨烯涂層，增強磨削安全性，避免細菌侵入，能夠有效進行殺菌、抑菌。本研究對于血栓治療的發展、推動石墨烯在醫療領域的應用具有實際參考價值。

1 系統設計

1.1 系統總體設計

本研究設計了一種氧化石墨烯血栓去除盾構針，用于去除血管內的血栓，包括柔性轉軸、固定套、輻射狀柔性桿、自轉針頭、吸附總管和施藥總管、激光測量器、高清攝像頭、以及冷光源等結構。如圖1和圖2所示，該盾構針設置了多個柔性桿和多個與之對應的自轉針頭，自轉針頭包括針頭本體，針頭本體的內部具有空腔，空腔內設置有吸附總管和施藥總管。針頭本體的外表面上設置有多個具有吸附功能的第一磨削塊和具有施藥功能的第二磨削塊。自轉針頭的外表面涂覆有氧化石墨烯材料層。多個柔性桿和多個自轉針頭構成了大范圍旋磨工具，能夠在更加廣泛的區間進行旋磨操作，同時，由于各個自轉針頭的自動動作是可控的，操作人員可選擇某個或某幾個自轉針頭旋轉，實現小范圍的旋磨，提高了旋磨精度。

圖1 氧化石墨烯血栓去除盾構針在血管內Fig.1 Graphene oxide thrombus removal shield needle in blood vessel

圖2 氧化石墨烯血栓去除盾構針的結構Fig.2 Structure of shield tunneling needle for graphene oxide thrombus removal

多個激光測量器均勻分布在安裝座的外圓周表面上，激光測量器通過光纖與外部的計算機相連。計算機具有顯示器，激光測量器測得的血管內壁尺寸、輪廓信息經計算機轉換后形成圖像信息顯示在顯示器上。多個高清攝像頭均勻分布在安裝座的外圓周表面上，高清攝像頭通過光纖與外部的計算機相連。安裝座上還設置有多個冷光源，冷光源的數量與高清攝像頭的數量相同，且兩者位置一一對應。同時，由于設置了攝像頭和激光測量器，操作人員能夠通過顯示器直接觀察到血管內部情況，更加方便操作。而針頭本體上設置了兩種不同的磨削塊，且傾斜的部分低于磨削面部分，且兩個磨削塊的設置朝向相反，這就能夠使得在吸附以及施藥過程不受磨削過程影響，可以在磨削同時進行小血栓的吸出和溶栓藥物的排進。

1.2 釋放套管設計

釋放套管包括固定座、拉線、彈性組件等。如圖3所示，釋放套管設在柔性桿外圍上，用來控制柔性桿。釋放套管的內壁上固定連接有多個拉線，拉線穿過柔性轉軸并延伸至外部操作人員處，拉線用于控制釋放套管的軸向運動；釋放套管的軸向移動能夠使多個柔性桿聚攏或散開，以此達到大范圍旋磨的效果。

圖3 釋放套管結構Fig.3 Structure of release casing

1.3 自轉針頭設計

自轉針頭包括針頭本體、轉動座、施藥孔、吸附孔等。如圖4所示，針頭本體的內部具有空腔，空腔內設置有吸附總管和施藥總管；針頭本體的外表面上設置有多個具有吸附功能的第一磨削塊和具有施藥功能的第二磨削塊，自轉針頭的外表面涂覆有氧化石墨烯材料層。這就增強了磨削安全性，避免細菌侵入，能夠有效進行殺菌、抑菌。

圖4 自轉針頭結構Fig.4 Structure of rotating needle

針頭本體的前端部為圓錐狀結構，針頭本體的后端設置有與柔性桿轉動連接的轉動座。轉動座上設置有第一通孔和第二通孔，吸附總管和施藥總管分別穿過第一通孔和第二通孔后進入柔性轉軸。針頭本體、第一磨削塊、第二磨削塊均采用不銹鋼、碳化鎢、鈷鉻合金或鈦合金等硬質、耐磨材料制成。自轉針頭的工作運轉能達到旋磨血栓、施加溶栓藥物、吸附小塊血栓的目的。

2 制備方法及步驟

（1）制作各個部件。

（2）制備氧化石墨烯前驅液：將石墨加入到燒瓶中并進行第一次攪拌，攪拌條件為轉速200 r/min，攪拌時間2 h。將HClO4、K2Cr2O7連續緩慢加入，并進行第二次攪拌，進而向燒瓶中加入去離子水，用硅油液封水浴槽液面，再加入H2O2以除去多余的K2Cr2O7即得到氧化石墨烯前驅液。在水熱溫度為150～200oC，水熱反應時間為20～30 h的條件下將自轉針頭置于氧化石墨烯前驅液中進行涂覆。

（3）對涂覆后的自轉針頭進行高溫灼燒并得到具有氧化石墨烯涂層的自轉針體。

（4）對各個部件進行組裝。

3 設計優點

3.1 石墨烯材料物理性質適合去血栓盾構針的性能需求

石墨烯具有完美的二維晶體結構，它是由六個碳原子圍成的六邊形。碳原子之間由σ鍵連接，結合方式為sp2雜化，這使得石墨烯具有極其優異的力學性質和結構剛性。石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，且石墨烯面內摩擦特性顯示出超潤滑的特性[8-10]。

本產品充分利用石墨烯的物理特性，用石墨烯涂覆在自轉針頭外層，使其具有以下特點：

①足夠堅硬，在血栓去除中不輕易磨損；②避免細菌侵入，能夠有效進行殺菌、抑菌；③表面光滑，不對血管內壁造成損傷性摩擦。

3.2 石墨烯材料安全性良好

眾多研究表明，氧化石墨烯經靜脈注射、腹腔注射、口服之后雖然會在內皮網狀系統、肝臟和脾臟有所滯留，但未見表現出毒性。其與細胞的相互作用與石墨烯劑量與粒徑大小相關，尺寸小、濃度稀的石墨烯物質較容易對細胞產生作用，反之，大尺寸、多層數較高密度的石墨烯幾乎不體現細胞毒性[18-19]。

3.3 產品中柔性桿獨立的設計，滿足多角度旋磨血栓需求，避免感染

本產品設計有多個柔性桿，多個柔性桿之間相互獨立，各個自轉針頭相互獨立，操作人員既可以進行大范圍旋磨，也可選擇某個或某幾個自轉針頭旋轉，實現小范圍的旋磨，提高了旋磨精度，能夠避免血管壁破損造成的感染，從而有效地清除血栓。

3.4 施藥孔設計，防止進一步的栓塞

傳統的血栓去除器難以對小血栓進行去除，且造成進一步的栓塞，同時，磨削的過程無法對血管壁、栓塊等具體磨削條件進行精細分析，而且磨削過程可能會導致血管壁破損，這就會造成該處血管發生感染。

本產品設計有施藥孔，能在旋磨大塊血栓的同時，釋放溶栓藥物，消除小塊血栓。

3.5 吸附、施藥過程不受磨削過程影響

自轉針頭本體上設置了兩種不同的磨削塊，且傾斜的部分低于磨削面部分，且兩個磨削塊的設置朝向相反，這就能夠使得在吸附以及施藥過程中不受磨削過程影響，可以在磨削時同步進行小血栓的吸出和溶栓藥物的排進。

4 總結

本研究針對現有技術不足，設計了一種氧化石墨烯血栓去除盾構針及其制備方法，相對于其他設計，主要有以下幾方面改進：一是自轉針頭所在柔性桿獨立設計，滿足多角度旋磨血栓需求，實現對大小血栓的旋磨，提高了旋磨精度，避免血管破損感染；二是自轉針頭上施藥孔及吸附孔設計，該設計能實現在旋磨過程中施加溶栓藥物及吸附小塊血栓，有效避免血管二次栓塞，且吸附、施藥過程不受磨削過程影響；三是在自轉針頭涂覆了氧化石墨烯涂層，能夠避免細菌侵入，防止感染。

本研究設計的氧化石墨烯血栓去除盾構針，用石墨烯與醫療器械結合的方式以達到治療血栓類疾病目的。氧化石墨烯有較好生物相容性、低細胞毒性等優點，使得其作為一種新型材料運用到醫療器械領域當中，這對于醫療器械領域是一個很好的啟發。這樣看來利用石墨烯材料的優良特性，不僅僅局限于血栓類疾病的治療，還可用于更多的臨床治療，例如與針灸針等較精細的醫療器械相結合。本研究對促進石墨烯在醫療器械領域的應用、治療血栓類疾病具有一定參考價值。下一步我們將會對氧化石墨烯血栓去除盾構針進行臨床驗證，在不斷完善本研究、爭取早日應用于臨床治療的同時，充分發掘石墨烯在醫療器械領域的巨大潛力，實現治療疾病價值。