一种氧化石墨烯血栓去除盾构针及其制备

【作 者】杨玉婷，钟远坚，赵立春，宋元博，于丽

广西中医药大学，南宁市，530200

0 引言

动脉粥样硬化是临床常见的慢性炎症性疾病之一，其病因与肥胖、吸烟、高血压以及血脂异常等密切相关[1]。各种病因导致的脑动脉主干或皮质支动脉粥样硬化，会导致血管内膜增厚、管腔狭窄闭塞和血栓形成，如果不对血栓进行及时处理，就会引起心绞痛、高血压、心肌梗死、中风和类似病症。目前动脉粥样硬化已成为临床中的一种多发病和常见病，对人类的生命健康造成严重威胁[2-3]。

目前在国内，对血栓疾病治疗方法主要有药物治疗和经皮冠状动脉介入治疗以及机械取栓。目前临床常用的抗血栓药物为他汀类、环氧化酶抑制剂等药物，长期服用毒副作用大。且溶栓药物一旦使用不当，很容易导致消化道及颅内出血，甚至全身出血，严重时将危及生命[4]。

而经皮冠状动脉介入治疗是用特殊的传送系统将支架输送到需要安放的部位，支架将堵塞的血管开放、疏通。但支架手术后并不等于这个血管或者这个部位不会再次发生狭窄或者堵塞。患者动脉内永久性存在金属异物及机体持续炎症反应，都容易导致血管炎症、血管再狭窄、血栓形成及支架内新生动脉粥样硬化[5-7]。

最常见的血栓去除技术为机械取栓技术或栓块旋磨技术，机械取栓技术就是采用特殊装置将栓块吸住并拉出的操作，而栓块旋磨技术多采用驱动轴带动高速旋转的磨削钻头对栓块进行磨削。上述两种技术都具有各自的弊端，机械取栓技术难以对小血栓进行去除，而栓块旋磨技术在磨削大栓块的过程中，会产生比较微小的栓块，这些小栓块会进入较细的血管，造成进一步的栓塞，同时，磨削的过程无法对血管壁、栓块等具体磨削条件进行精细分析，而且磨削过程可能会导致血管壁破损，这就会造成该处血管发生感染。

石墨烯具有理想的二维晶体结构，由碳原子以sp2杂化紧密排列而成，厚度仅有0.3 35 4 n m，是目前发现的最薄的二维材料[8]。石墨烯具有极好的物理性能，其导热系数高达5×103W·m-1·K-1，是金刚石的3倍[9]；石墨烯理论比表面积达到2 630 m2·g-1；电阻10-6Ω·cm，是目前已发现的电阻率最小的物质[10]；石墨烯具有多种衍生物，氧化石墨烯是由石墨烯氧化而来的，具有芳香结构，与石墨烯相比，氧化石墨烯的比表面积和层状结构更大。且具有大量如羰基、羟基、羧基和环氧基团等含氧基团[11-12]。氧化石墨烯还具有大的比表面积、良好亲水性、优良生物特性、较好生物相容性、低细胞毒性等优点[13]。由于石墨烯及其衍生物特殊的纳米结构和优异的物理化学性能，优异的耐腐蚀性和表面化学结构易调控性等特性，被广泛应用于电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等领域[14-17]。

本研究针对现有技术的不足，提供了一种氧化石墨烯血栓去除盾构针及其制备方法。其独特的释放套管及自转针头设计能够提高旋磨精度，实现对大、小血栓进行清除并施加溶栓药物，降低二次栓塞概率及防治血管破损感染；自转针头上设置有施药孔及吸附孔，能在旋磨过程中施加溶栓药物及吸附小块血栓，有效避免血管二次栓塞；另外，在自转针头上涂覆了氧化石墨烯涂层，增强磨削安全性，避免细菌侵入，能够有效进行杀菌、抑菌。本研究对于血栓治疗的发展、推动石墨烯在医疗领域的应用具有实际参考价值。

1 系统设计

1.1 系统总体设计

本研究设计了一种氧化石墨烯血栓去除盾构针，用于去除血管内的血栓，包括柔性转轴、固定套、辐射状柔性杆、自转针头、吸附总管和施药总管、激光测量器、高清摄像头、以及冷光源等结构。如图1和图2所示，该盾构针设置了多个柔性杆和多个与之对应的自转针头，自转针头包括针头本体，针头本体的内部具有空腔，空腔内设置有吸附总管和施药总管。针头本体的外表面上设置有多个具有吸附功能的第一磨削块和具有施药功能的第二磨削块。自转针头的外表面涂覆有氧化石墨烯材料层。多个柔性杆和多个自转针头构成了大范围旋磨工具，能够在更加广泛的区间进行旋磨操作，同时，由于各个自转针头的自动动作是可控的，操作人员可选择某个或某几个自转针头旋转，实现小范围的旋磨，提高了旋磨精度。

图1 氧化石墨烯血栓去除盾构针在血管内Fig.1 Graphene oxide thrombus removal shield needle in blood vessel

图2 氧化石墨烯血栓去除盾构针的结构Fig.2 Structure of shield tunneling needle for graphene oxide thrombus removal

多个激光测量器均匀分布在安装座的外圆周表面上，激光测量器通过光纤与外部的计算机相连。计算机具有显示器，激光测量器测得的血管内壁尺寸、轮廓信息经计算机转换后形成图像信息显示在显示器上。多个高清摄像头均匀分布在安装座的外圆周表面上，高清摄像头通过光纤与外部的计算机相连。安装座上还设置有多个冷光源，冷光源的数量与高清摄像头的数量相同，且两者位置一一对应。同时，由于设置了摄像头和激光测量器，操作人员能够通过显示器直接观察到血管内部情况，更加方便操作。而针头本体上设置了两种不同的磨削块，且倾斜的部分低于磨削面部分，且两个磨削块的设置朝向相反，这就能够使得在吸附以及施药过程不受磨削过程影响，可以在磨削同时进行小血栓的吸出和溶栓药物的排进。

1.2 释放套管设计

释放套管包括固定座、拉线、弹性组件等。如图3所示，释放套管设在柔性杆外围上，用来控制柔性杆。释放套管的内壁上固定连接有多个拉线，拉线穿过柔性转轴并延伸至外部操作人员处，拉线用于控制释放套管的轴向运动；释放套管的轴向移动能够使多个柔性杆聚拢或散开，以此达到大范围旋磨的效果。

图3 释放套管结构Fig.3 Structure of release casing

1.3 自转针头设计

自转针头包括针头本体、转动座、施药孔、吸附孔等。如图4所示，针头本体的内部具有空腔，空腔内设置有吸附总管和施药总管；针头本体的外表面上设置有多个具有吸附功能的第一磨削块和具有施药功能的第二磨削块，自转针头的外表面涂覆有氧化石墨烯材料层。这就增强了磨削安全性，避免细菌侵入，能够有效进行杀菌、抑菌。

图4 自转针头结构Fig.4 Structure of rotating needle

针头本体的前端部为圆锥状结构，针头本体的后端设置有与柔性杆转动连接的转动座。转动座上设置有第一通孔和第二通孔，吸附总管和施药总管分别穿过第一通孔和第二通孔后进入柔性转轴。针头本体、第一磨削块、第二磨削块均采用不锈钢、碳化钨、钴铬合金或钛合金等硬质、耐磨材料制成。自转针头的工作运转能达到旋磨血栓、施加溶栓药物、吸附小块血栓的目的。

2 制备方法及步骤

（1）制作各个部件。

（2）制备氧化石墨烯前驱液：将石墨加入到烧瓶中并进行第一次搅拌，搅拌条件为转速200 r/min，搅拌时间2 h。将HClO4、K2Cr2O7连续缓慢加入，并进行第二次搅拌，进而向烧瓶中加入去离子水，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驱液。在水热温度为150～200oC，水热反应时间为20～30 h的条件下将自转针头置于氧化石墨烯前驱液中进行涂覆。

（3）对涂覆后的自转针头进行高温灼烧并得到具有氧化石墨烯涂层的自转针体。

（4）对各个部件进行组装。

3 设计优点

3.1 石墨烯材料物理性质适合去血栓盾构针的性能需求

石墨烯具有完美的二维晶体结构，它是由六个碳原子围成的六边形。碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这使得石墨烯具有极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，且石墨烯面内摩擦特性显示出超润滑的特性[8-10]。

本产品充分利用石墨烯的物理特性，用石墨烯涂覆在自转针头外层，使其具有以下特点：

①足够坚硬，在血栓去除中不轻易磨损；②避免细菌侵入，能够有效进行杀菌、抑菌；③表面光滑，不对血管内壁造成损伤性摩擦。

3.2 石墨烯材料安全性良好

众多研究表明，氧化石墨烯经静脉注射、腹腔注射、口服之后虽然会在内皮网状系统、肝脏和脾脏有所滞留，但未见表现出毒性。其与细胞的相互作用与石墨烯剂量与粒径大小相关，尺寸小、浓度稀的石墨烯物质较容易对细胞产生作用，反之，大尺寸、多层数较高密度的石墨烯几乎不体现细胞毒性[18-19]。

3.3 产品中柔性杆独立的设计，满足多角度旋磨血栓需求，避免感染

本产品设计有多个柔性杆，多个柔性杆之间相互独立，各个自转针头相互独立，操作人员既可以进行大范围旋磨，也可选择某个或某几个自转针头旋转，实现小范围的旋磨，提高了旋磨精度，能够避免血管壁破损造成的感染，从而有效地清除血栓。

3.4 施药孔设计，防止进一步的栓塞

传统的血栓去除器难以对小血栓进行去除，且造成进一步的栓塞，同时，磨削的过程无法对血管壁、栓块等具体磨削条件进行精细分析，而且磨削过程可能会导致血管壁破损，这就会造成该处血管发生感染。

本产品设计有施药孔，能在旋磨大块血栓的同时，释放溶栓药物，消除小块血栓。

3.5 吸附、施药过程不受磨削过程影响

自转针头本体上设置了两种不同的磨削块，且倾斜的部分低于磨削面部分，且两个磨削块的设置朝向相反，这就能够使得在吸附以及施药过程中不受磨削过程影响，可以在磨削时同步进行小血栓的吸出和溶栓药物的排进。

4 总结

本研究针对现有技术不足，设计了一种氧化石墨烯血栓去除盾构针及其制备方法，相对于其他设计，主要有以下几方面改进：一是自转针头所在柔性杆独立设计，满足多角度旋磨血栓需求，实现对大小血栓的旋磨，提高了旋磨精度，避免血管破损感染；二是自转针头上施药孔及吸附孔设计，该设计能实现在旋磨过程中施加溶栓药物及吸附小块血栓，有效避免血管二次栓塞，且吸附、施药过程不受磨削过程影响；三是在自转针头涂覆了氧化石墨烯涂层，能够避免细菌侵入，防止感染。

本研究设计的氧化石墨烯血栓去除盾构针，用石墨烯与医疗器械结合的方式以达到治疗血栓类疾病目的。氧化石墨烯有较好生物相容性、低细胞毒性等优点，使得其作为一种新型材料运用到医疗器械领域当中，这对于医疗器械领域是一个很好的启发。这样看来利用石墨烯材料的优良特性，不仅仅局限于血栓类疾病的治疗，还可用于更多的临床治疗，例如与针灸针等较精细的医疗器械相结合。本研究对促进石墨烯在医疗器械领域的应用、治疗血栓类疾病具有一定参考价值。下一步我们将会对氧化石墨烯血栓去除盾构针进行临床验证，在不断完善本研究、争取早日应用于临床治疗的同时，充分发掘石墨烯在医疗器械领域的巨大潜力，实现治疗疾病价值。