从缝衣服到无痛注射,人类花了几万年时间把「针」越做越细

菲利普医生 知乎日报


题图:yestone 正版图库


假设有一根足够细的针,这根针可以用来干什么?


知友:菲利普医生(4900+ 赞同,上海交通大学医学院附属第九人民医院外科住院医师,医学话题的优秀回答者)

  

回答这个问题我内心非常激动。


因为在不同时代,受限于当时的科技背景,人类所能意识到的「细」是不同的,甚至人类对这个「细」的需求也因为对世界认识和探索深度的不同而不断变化着。


所以,回顾人类历史上越来越细的针,就是回顾人类科学技术的进阶史,怎不让人内心激动万分?


说到「足够细」,那么我们就得有个度量的尺度。国际标准长度单位是米(m),如果拿来描述针的粗细,那至少也要用米的千分之一(10E-3),即毫米(mm)来表示。


有关物理学方面的回答 @小侯飞氘 已经谈了很多,我的专业是外科,就从医学角度和大家分享一下吧。


接下来,让我们使用科学计数法,以 10 的负 N 次方为顺序,来描述一下人类历史上越来越细的针都创造了哪些重大的进步:


110 的负三次方米(1mm)

 

通过目前的考古发掘,人类最早的有孔缝合针出现在公元前三万年的新石器时代,最细的可以达到 1 毫米,材料主要是动物骨头(包括鱼刺)。


从一些古人类遗骸证据看,这些兽骨磨成的针很可能平常用于缝合兽皮,应急时用于缝合伤口。


新石器时代骨针(图卢兹博物馆)


随着冶铁技术的普及,一种更加有韧性的金属为外科缝合针提供了新的材料选择。古罗马医学家盖伦(Claudius Galenus , 129~199)曾经在著作中记述自己为角斗士缝合断裂的肌腱。


古罗马医学家盖伦


因为罗马最不缺的就是角斗士和军人的战伤,所以盖伦也积累了大量的实践操作。他的一些外科论著成为后世外科医生的操作指南。


当然了,在麻醉技术出现之前所有手术操作都是伴随着患者撕心裂肺嚎叫的。


相比截肢、疝修补、清创等会引起剧痛的操作,作为手术结尾的皮肤缝合反倒是最不疼的环节。


疝修补术的最后缝合,医生的助手负责把病人牢牢按在床上,1559 年


210 的负四次方米(0.1mm)


自从文艺复兴开始,人类自然科学的各个学科,都取得了长足进步,科学和技术开始呈现井喷。


随着人类迎来工业革命的曙光,精密金属加工逐渐成熟,针可以做得越来越细。与此同时,因为观察生物体细微结构而催生的体式显微解剖镜技术也已经很成熟。


同时,随着生物学的发展,人类对微生物的认识也进一步加深。


英国的约瑟夫·李斯特男爵在美国内战期间通过大量的战地医院观察认为手术室和病房的空气以及外科医生的操作都可以使引起感染的细菌发生传播。由此直接催生了一门新的技术——无菌术。


约瑟夫李斯特男爵


解剖放大镜(显微镜)让人们可以用更细的针去缝合更加细微的结构,无菌术可以将外科感染的概率大大降低,避免细菌把好不容易修复的精细结构全给吃干净。


这一时代,法国医生亚历克西·卡雷尔(Alexis Carrel)开创了显微血管缝合技术,为血管修复和后来的断肢再植乃至于器官移植奠定了基础。


因为如果不连接血管,就算把皮肉骨连起来,断掉的肢体也会因为没有血液供应而「饿死」。


这种技术更是被心灵手巧的中国医生玩出了花。


目前国内断指再植成功率已经是世界范围内最高的,甚至中国人民解放军 89 医院一项断肢再植手术,历时 17 小时完成,让 6 段,共 9 节断指全部存活,挽救了一个人的右手和劳动力。



这一切实现的基础其实就是用于缝合血管的显微缝合针和缝合线。要知道,人手指远端的动静脉口径连 1 毫米都不到,一般动脉内径能有个 0.5mm 医生们就要谢天谢地。


所以要想缝合这么细小的血管,就只能用细得多的针和线:


显微缝合针、线与圆珠笔头的对比


正是有了这足够细的针,那细如发丝的血管和神经才有可能被重新连接起来,只是苦了手足外科医生,要在显微镜前端坐好几个小时:



310 的负五次方米(0.01mm,即 10μm)


这已经几乎超出了人眼可以识别的范围,10 微米大致是一个真核细胞的宽度。


而如此细的针在刺入人体组织的时候几乎是不会引起痛觉的。


所以这就为惧怕打针的朋友带来了福音——微针。


镊子尖上的微针贴片


国内有些媒体称之为纳米微针其实是不恰当的,因为真正的纳米级别还在后面,微针的针头粗细是 10-100 微米这个级别的。


上图所示的微针贴片是一个边长 1 厘米左右的正方形,上面密密麻麻布满了 121 个锥形注射针头。锥形的底部是药囊,在刺入皮肤后输注药液。


有一些微针材料甚至是用可吸收材料制成,使用起来非常方便。未来有望用于糖尿病、皮肤年轻化和其他慢性病的给药。


临床试验中的患者表示和普通的医用胶布感觉没什么两样,没有刺痛感。



慢性病最重要的就是规律用药。但是因为反复注射引起的疼痛让患者反感甚至抗拒,就会引起依从性的大大降低。


最典型的例子就是糖尿病,需要不断在腹部皮下注射胰岛素,临床上很多病人就是受不了一天一次甚至几次的戳肚皮,有意无意忘记注射。


所以微针的发明对于很多慢性病患者的意义不言自明。


410 的负六次方米(0.001mm,即 1μm)

 

这个级别就已经比细胞小的多了,可以对细胞里面的结构(亚细胞结构)进行一定操作。


1996 年 7 月 5 日,人类第一次克隆了动物——一只绵羊,多莉。



人类创造的第一只克隆动物,多莉。2003 年死于肺部疾病,现已制成标本。


平常我们可以用注射器把药物送进血管,而有了这种显微注射针,我们可以把动物 A 的体细胞核放进动物 B 的卵细胞(已经事先移除了原有卵细胞核)里面,制成一个特殊的受精卵。


再把它移植到代孕动物子宫中,从而克隆一个一模一样的动物 A。这就是动物克隆技术。


甚至在此之前的 1978 年,人类第一次利用显微注射针向卵细胞内注射精子,完成人工体外授精。这就是后来称之为试管婴儿的技术。


1978 年 7 月 25 日,第一个试管婴儿路易斯降生



目前,这项技术已经非常成熟,圆了许多不孕不育患者拥有孩子的梦想,挽救了很多濒临破碎的家庭。而实现这些技术的基础就是细到完全看不见的显微注射针头——它只有 1 微米不到。


一颗精子(红箭头所示)被显微注射针送进卵细胞


510 的负七次方米(0.0001mm,即 0.1μm)


这个级别大致是常见细菌的大小。


我们都见到过荷叶上的水珠,无论泡在水中多久,荷叶的表面都不会被沾湿。


这是因为荷叶表面有许多直径 10 微米左右的小凸起,而这些小凸起的表面还有几十纳米的小「针头」。这种粗糙表面结构就是荷叶超强疏水性的来源。


荷叶表面的凸起结构


细菌的粘附、增殖与侵袭都离不开水。所以这种粗糙表面就非常不利于细菌生活,具有抑菌作用。


在外科(和口腔科)工作中,难免要给人体植入一些无活性的材料。比如替代骨骼的钛合金、人工骨,整形外科用的各种植入性假体。


这些无活性组织很容易有细菌附着,给手术带来风险。


所以如果能够让人工外科植入材料的表面具有类似甚至超越荷叶的疏水性,外科感染的概率就会大大降低。


事实上这种超级粗糙表面已经被合成出来。所以可以理解为,这种材料的表面布满了无数极细的针头(几十纳米),连水和细菌都无法附着。


从新石器时代毫米级别,用于缝衣服和人皮的针线到前工业时代充斥着患者嚎叫的手术室,人类花了三万年。


再到工业时代可以缝合血管,细如发丝的针线,人类用了三四百年。


而此后的百年间,人类「针」的技术出现井喷:


挑战上帝的造物权,复制一个完全相同的生物体;用肉眼无法看到的注射针头重新定义了「注射」;用普通显微镜都看不到的细小「针尖」阻挡细菌的入侵......


我们有理由相信,随着人类科学和技术的进步,将会出现越来越细的「针」,换着花样服务人类。可能那时限制我们的,只剩下略显干瘪的想象力!


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