外科手術中傷口縫合的打結(jié)是項精細活。結(jié)打松了，難以有效止血；結(jié)打緊了，容易斷線或損壞器官組織。中國科學院院士、浙江大學航空航天學院交叉力學中心主任楊衛(wèi)團隊和中國科學院院士、浙江大學醫(yī)學院附屬邵逸夫醫(yī)院院長蔡秀軍團隊，歷時三年開展交叉研究，闡明了“基于活結(jié)的力學傳導機制”，并創(chuàng)新性研發(fā)出“Sliputure（活結(jié)智能縫線）”，成功將其應用于外科縫合，解決了機器人手術“力盲”缺陷。此項研究于北京時間11月27日以封面文章的形式登上國際學術期刊《自然》。
Sliputure（活結(jié)智能縫線）登上《nature》封面。科研團隊供圖
外科手術中閉合組織時需要縫合打結(jié)，即“外科結(jié)”。“外科結(jié)”普遍是死結(jié)，一旦打牢很難調(diào)整。因此，“外科結(jié)”非常依賴醫(yī)生的精巧施力。
如今，中國外科手術逐步從大開大合向精準微創(chuàng)迭代。“技術在進步，但外科醫(yī)生的打結(jié)手感卻在不斷消失。”文章通訊作者、浙江大學醫(yī)學院附屬邵逸夫醫(yī)院陳鳴宇醫(yī)師介紹，在傳統(tǒng)開放手術中，醫(yī)生的雙手能直接感知組織軟硬，精準掌控縫合力度，但代價是患者創(chuàng)傷大、恢復慢；而機器人微創(chuàng)手術能獲得高清視野和強穩(wěn)定性的優(yōu)勢同時，醫(yī)生直接的力反饋大大減弱，在手術臺上陷入“力盲”困境。
在繩結(jié)中機械信息的書寫與讀取過程。科研團隊供圖
在此前兩個團隊的頭腦風暴中，陳鳴宇提出手術感知力反饋缺失的痛點。“那就在旁邊先打個活結(jié)，以活結(jié)控死結(jié)。”文章通訊作者、浙江大學航空航天學院交叉力學中心研究員楊栩旭靈光一現(xiàn)，脫口而出一個既傳統(tǒng)又科學的想法。
“想象一下，當醫(yī)生拉緊縫線時，活結(jié)的結(jié)點被解開瞬間所產(chǎn)生的、一個預設好的精準峰值力，會通過這根縫線實時傳送給另一頭的死結(jié)。活結(jié)打開的這一刻就是告訴醫(yī)生：‘力度已到位，死結(jié)請鎖定！’”楊栩旭說道。
天馬行空般“以活結(jié)控死結(jié)”的靈感，能否成為手術臺上穩(wěn)定可靠的應用，技術難題在于：如何確保每一個活結(jié)都能穩(wěn)定在預設的、唯一的、精準的力度下打開。
團隊通過高速攝像和Micro-CT捕捉活結(jié)細微的滑動軌跡，通過力學建模、有限元仿真等手段發(fā)現(xiàn)了活結(jié)蘊藏的有序規(guī)律：其打開力與縫線編活結(jié)時拉緊結(jié)點的預緊力、結(jié)環(huán)數(shù)量、直徑等因素相關。
實驗顯示，針對特定的活結(jié)，解開它們最后那一瞬間的峰值力高度一致。
歷經(jīng)上千次設計迭代，團隊完成了“基于活結(jié)的力學傳導機制”的程序，并最終成功將這一力學“密碼”穩(wěn)定地“編織”進外科縫線中，研發(fā)出Sliputure。
文章通訊作者、浙江大學航空航天學院交叉力學中心教授李鐵風介紹，Sliputure將力學智能融入外科縫線，其核心在于：給活結(jié)預設的打開力，剛好等于縫合某一組織時適宜打死結(jié)的力。
在動物腸道修復手術實驗中，Sliputure的打結(jié)力度被精準控制，恰好保持腸道閉合不滲漏的同時，又不發(fā)生撕裂。從開放大鼠腸道修復，到腹腔鏡下活體豬腸道修復，再到機器人下活體豬腸道修復等實驗結(jié)果顯示，Sliputure均讓術后臟器血供與組織的愈合程度得到改善。
“這意味著，Sliputure不僅能在開放手術中使用，也能適配腹腔鏡手術和機器人手術。”李鐵風表示，機械臂搭載的自動識別與反饋系統(tǒng)檢測到活結(jié)打開信號，立即停止“外科結(jié)”動作，實現(xiàn)“感知—反饋—制動”的閉環(huán)控制，將外科操作的力推進到“可量化”和“可感知”新紀元。
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