科學普及
(第二屆分省院科普征文大賽 二等獎 陜西省動物研究所 寧碩瀛 )
生病，在現(xiàn)實生活中是再平常不過的事情。但對許多人來說，到醫(yī)院打針卻是一件令人發(fā)怵的事情，而且對于需要長期治療的患者更是談“針”色變。無論是皮試、肌肉注射還是打吊瓶，其痛感都會讓人們眉頭微緊，更有甚者自覺難以釋懷。
近年來，隨著科學技術的不斷進步，醫(yī)療技術飛速發(fā)展。不知什么時候，我們發(fā)現(xiàn)打針似乎不那么疼了！？這究竟是怎么回事呢？其實，這都得益于人們向“昆蟲老師”虛心學習，對注射器針頭進行改良設計，提高了藥物注射時的舒適度，使人們對“疼”的感覺不那么敏感了。
疼痛是如何產(chǎn)生的？
痛覺（Pain）是動物的生理本能，指機體收到傷害性刺激時，產(chǎn)生的不愉悅的感覺，伴隨著情緒變化和防御反應。根據(jù)注射位置不同，注射方式主要分為皮內(nèi)注射、皮下注射、肌肉注射和靜脈注射。
不同注射方式示意圖
注射疼痛屬于典型的刺痛，一般來說，除去心理因素的影響，指皮膚或皮下軟組織受到針頭插入或摩擦刺激后引起的創(chuàng)傷性疼痛。研究發(fā)現(xiàn)，在人體表面1cm2的皮膚上，密布著多達200個觸壓覺感受器，即各種各樣不同的神經(jīng)末梢，比如梅克爾盤、邁納斯小體、環(huán)層小體、毛囊感受器、魯菲尼終末和游離神經(jīng)末梢。當皮膚受到針頭刺激時，這些感受器就像“電源開關”一樣，讓我們“嘭”的一下疼的眉頭緊鎖，手心出汗。
皮膚表面不同觸壓覺感受器解剖形態(tài)
通常情況下，每當病人哆嗦著描述自己“怕疼”時，醫(yī)生們多數(shù)只會說“換一個細針頭”或者“慢點兒打”，憑借減少單位時間內(nèi)的給藥量來稍稍減輕疼痛。當然，這僅是“治標不治本”，并不能從根本上緩解患者的痛苦。
各式各樣的注射針頭
A：不同規(guī)格；B：各種類型
昆蟲的“嘴巴”有哪些？
口器（Mouthpart），顧名思義，是指昆蟲的“嘴”。由于昆蟲食性非常廣泛，經(jīng)過幾十億年的不斷進化，昆蟲口器由最原始的咀嚼式口器逐漸演化出多種不同類型。其中，常見的類型主要有5種，分別為咀嚼式口器（如蟑螂、蝗蟲）、舐吸式口器（如蒼蠅）、嚼吸式口器（如蜜蜂）、虹吸式口器（如蝴蝶）和刺吸式口器（如蚊子）。除此之外，昆蟲口器中還有3種其它特化的類型，如銼吸式口器（薊馬特有）、捕吸式口器（如蟻獅、蚜獅等脈翅目幼蟲特有）和刮吸式口器（雙翅目蠅類幼蟲特有）。
咀嚼式口器（蟑螂）
舐吸式口器（蒼蠅）
嚼吸式口器（蜜蜂）
虹吸式口器（蝴蝶）
刺吸式口器（蚊子）
蚊子的“口針”
談到蚊子，我們都知道它非常討厭。每到夏天時，耳邊的“嗡嗡”聲總讓人們覺得很煩躁。可令人意外的是由于蚊子的“嘴”長得像針一樣，其口器結(jié)構形態(tài)反而成了人們在革新注射器械中借鑒和模仿的最佳對象。
從肉眼看，我想多數(shù)人會認為蚊子的嘴只是“一根針”，但事實上并非如此。如果我們把蚊子的嘴解剖開來，就會發(fā)現(xiàn)里面其實藏著6把“手術刀”：包括上唇（labrum: Lr）、上顎（mandible: Ma）、舌（hypopharynx: Hy）和下顎（maxilla: Mx）；它們與下唇（labium: La）一起組成了蚊子高度特化的針狀喙結(jié)構。當蚊子不吸血時，這些“手術刀”會被收在如“刀鞘”般的下唇中；當吸血時，下唇會彎曲折疊附著在皮膚表面，像“支架”一樣引導、輔助蚊子用“手術刀”劃開表皮，再慢慢刺入血管中。
蚊子口器的構造
A：附肢組成；B：橫剖面結(jié)構；C：端部結(jié)構
如果用掃描電子顯微鏡觀察，我們會發(fā)現(xiàn)蚊子口器中的各把“手術刀”也具有不同生理結(jié)構，在蚊子吸血時“各司其職”。上顎和下顎是蚊子刺入皮膚的主要工具。其中上顎寬扁、鋒利，猶如一把“利劍”，劃開皮膚；下顎的鋸齒狀邊緣則用于“切割”皮下組織。隨后，蚊子就會用端部表面粗糙且具有一定角度的上唇插入血管吸取血液，而舌則負責“注射”，將瘧原蟲、黃熱病毒、乙腦病毒等有害物質(zhì)注入人體。
蚊子口器的超微結(jié)構
Ⅰ：成蟲全貌；Ⅱ：口器不同構造端部結(jié)構；Ⅲ：口器超微結(jié)構
仿生注射
仿生學（Bionics）起源于上世紀60年代，主要目的是在工程層面上實現(xiàn)對生物結(jié)構及功能的有效應用與模仿，而將具有相應功能原理和作用機理的生物系統(tǒng)作為生物模型進行研究，實現(xiàn)新的技術設計并制造更好的新型機械原件、儀器。
生活中，仿生現(xiàn)象無處不在。我們可以從老鷹彎曲的爪子聯(lián)想到吊車的鉤爪，從鴨子張開的鴨蹼聯(lián)想到船槳，從螳螂捕捉臂的邊緣聯(lián)想到鋸子，從章魚噴出的“墨汁”聯(lián)想到煙霧彈，從沙丁魚獨特的外形聯(lián)想到魚雷，從蝴蝶不反光的翅膀聯(lián)想到手機貼膜，多種多樣、不勝枚舉。
形形色色的仿生學現(xiàn)象
早期，在注射器針頭改良方面，設計者僅僅將“傳統(tǒng)”的橢圓形針尖變?yōu)閳A錐形，或者在尖部設計多個不同方向的出藥口，避免注射時由于藥物堆積導致的疼痛或腫塊，但始終無法有效減輕注射時的痛苦。
仿生注射技術是基于仿生學角度，通過分析如昆蟲口器的生物結(jié)構、形態(tài)及特征，應用非光滑減阻理論，在傳統(tǒng)針頭上進行非光滑表面結(jié)構設計，如波紋形、凹坑形、鋸齒形及凹槽形的針頭表面結(jié)構，增加皮膚與注射器間的摩擦力以達到減痛、甚至無痛效果。通俗的講，針頭表面越是粗糙，進入皮膚受到的阻力越大，反而越不容易讓人察覺到疼痛。
四種不同類型的仿生針頭
另外，不僅是針頭表面，針尖的角度同樣可以影響注射時給人們帶來的疼痛程度。注射器針頭是由第一斜面、第二斜面（左右兩部分）組成，其中第一斜面主要決定針頭長度，而第二斜面則主要決定針頭形狀。科學家們通過觀察、分析蚊子口針中各“手術刀”的尖部形態(tài)，模擬蚊子吸血過程，終于找出了注射時使人感覺最舒適的“黃金角度”，重新設計針頭結(jié)構，期望實現(xiàn)“無痛注射”。
注射針頭的針尖
A：針尖剖面結(jié)構圖；B：不同針尖結(jié)構
也許我們并不在意，其實目前已有多種仿生醫(yī)療器械被生產(chǎn)、應用并普及，比如胰島素注射筆、微痛留置針等，它們無處不在，與患者們的日常生活息息相關。
部分仿生醫(yī)療器械
A：胰島素注射筆；B：微痛留置針
注射是臨床醫(yī)學中應用最廣泛的治療手段之一，是搶救病人和治療各種疾病的重要措施。據(jù)調(diào)查顯示，全世界至少20%的未成年人和8.1%的成年人會對注射器產(chǎn)生恐懼。特別是對于那些需要長期注射藥物進行治療的患者，如糖尿病、慢性病及癌癥患者，由于需要長期忍受注射帶來的疼痛，很有可能導致病人放棄治療，不僅影響病人康復，嚴重者還會造成病情拖延、惡化，甚至導致病人死亡。
目前，由于微針注射、無針注射等手段存在加工成本高、適用藥品單一等缺點，發(fā)展空間狹窄。隨著仿生注射技術的發(fā)展與應用，我們堅信，在未來人們一定會掌握真正意義上的“無痛注射”技術，徹底擺脫“打針疼”的煩惱。
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