基于医用水射流的切割-浸润一体化策略用于靶向药物递送的研究

更温和的切割以提高手术安全性

现代外科仍大量依赖锋利的金属器械和针头，这些工具可能损伤健康组织并导致疼痛、瘀伤和愈合缓慢。本文探讨了一种新方法：使用细而高速的水射流在切割软组织的同时，将止痛药深度输送到伤口中。目标是使手术更精确、创伤更小、潜在疼痛更低——而不会增加外科医生的额外操作步骤。

由水构成的“刀”

研究人员设计了一种专用医用装置，将加压流体转化为非常细且高速的射流，能够切割诸如肌肉和脂肪等软组织。与手术刀不同，这种射流还能携带溶解的药物。核心思想是射流中心具有足够的力来切开组织，而切割处周围的流体在减速后被侧向挤入细胞之间的邻近空间。通过在流体中混入麻醉剂（或实验中用来模拟麻醉剂的染料），产生切割的同一运动也将药物推动进周围组织，可能在外科医生操作时同时实现局部麻醉。

在真实动物组织上的测试

为了验证这一概念是否可行，团队搭建了实验室装置，以高压气体驱动水射流，并在新鲜取用的猪肌肉和脂肪上进行了测试。他们改变了两个主要参数：射流冲击强度（压力）和喷嘴口径。随后测量了射流的切割深度以及染色“药物”在组织中的扩散距离。在第二组试验中，他们将水射流切割与常规手术刀切割的显微形貌进行了比较，寻找是否有撕裂或细胞碾压的迹象。最后，他们使用先进的光声成像技术——将光吸收转换为超声信号——来重建切割后染料在肌肉内的三维分布。

在干净切口与深度药物扩散之间的平衡

结果显示切割效果与药物输送之间存在明显的权衡，并且两者都依赖于射流参数和组织类型。随着压力增加，切割深度以非线性的方式增长：在较低压力时切割能力迅速增强，而在较高压力时随着流动变得更湍流、聚焦性降低而趋于平缓。药物的扩散则在整个测试范围内随着压力持续增加。较大的喷嘴倾向于促成更广的扩散，但也有可能带来过多液体而造成淹没区域的风险。肌肉相比脂肪既允许更深的切割也允许更广的扩散，后者因结构不同会吸收能量并限制扩散。通过权衡所需的切割深度与减少附带损伤和液体过量的需求，团队确定了一个折中设置——中等压力和中等喷嘴口径，对肌肉最安全有效，而脂肪则需要更高的压力。

显微镜下更为整洁的伤口

当研究人员使用扫描电子显微镜仔细观察切割面时，在精心选择的低压条件下，水射流产生的切割面比手术刀更平滑、更有序。在肌肉中，纤维束保持得更完整，断裂长度更短，纤维间保留了未受损的组织条带。在脂肪中，围绕脂肪细胞的支撑网络大多保持连续，破裂的细胞更少。总体而言，低压射流将纤维断裂减少约一半，并将受损组织面积缩小约三分之一，同时仍能达到实用的切割深度。然而，当压力过高时，射流会变得过于激进，导致比手术刀更广泛的破坏，这强调了对操作条件严格控制的重要性。

药物在三维空间中的扩散方式

对肌肉中染料载体切口的光声成像显示出意外复杂的扩散模式。在表面附近以及主切割深度范围内，染料沿着肌纤维之间的自然通道放射状扩散，形成分支的树状结构。横向扩散的距离随着深度增加而增长，在接近切割终点的一处达到最大值。超出该区域后，扩散迅速下降，分解成小的孤立斑块。这一行为支持作者所谓的“切割引导扩散”概念：射流在切口处打开通道并松动邻近组织，鼓励流体沿着切口尖端周围向外流动，而更深处未受扰动的组织则作为自然屏障限制进一步渗透。

这对患者可能意味着什么

尽管这些实验是在体外的猪组织上完成的，但它们表明经过精确调谐的水射流可能在切割的同时实现组织的局部麻醉，并保留更多细微结构。原则上，这种工具可能缩短手术时间、减少对单独针剂注射的依赖、降低浓缩药物推注引发过量的风险，并通过避免碾压和撕裂来改善愈合。然而，在该技术进入临床之前，研究人员必须在活体动物——并最终在人类身上——确认通过这种方式输送的药物分布是安全的、持续时间足以控制疼痛且不会产生意外副作用。如果这些障碍被解决，由水构成的“刀”可能成为未来微创手术中的关键工具。

引用: Lan, Y., Liu, W., Tang, J. et al. Investigation on the cutting-infiltration integrated strategy based on medical waterjet for targeted drug delivery. Sci Rep 16, 9886 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39721-y

关键词: 医用水射流, 靶向药物递送, 无针麻醉, 微创手术, 软组织切割