https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11507497/

در طول تکامل 3000-ساله سوزن های فلبوتومی، نوآوری مواد به طور مداوم نیروی محرکه بهبود در ایمنی و اثربخشی بوده است. از برنز تا فولاد ضد زنگ 316 و سپس به نیکل{5}}آلیاژ حافظه دار شکل تیتانیوم، هر کدامپیشرفت موادمربوط به جهشی در درک پزشکی و انقلابی در فناوری تولید است.

کاوش در مواد در عصر فلز

سوزن‌های خون‌ریزی مصر باستان معمولاً از سنگ چخماق یا ابسیدین ساخته می‌شدند که به طور طبیعی تیز اما شکننده هستند که منجر به استفاده گسترده از سوزن‌های برنزی تا ۱۵۰۰ قبل از میلاد شد. در طول سلسله شانگ چین، سوزن‌های برنزی حاوی 12 تا 17 درصد قلع بودند که سختی و چقرمگی را متعادل می‌کردند. سوزن‌های خون‌ریزی آهنی که در یونان باستان پدید آمدند مستعد زنگ زدگی بودند و اغلب در روغن زیتون نگهداری می‌شدند. ارسطو در "Historia Animalium" خود اشاره کرده است کهسوزن‌های آهنی وقتی در معرض خون قرار می‌گیرند کدر می‌شوند و باید با آتش خیس شوند.

کیمیاگری عربی قرون وسطی پیشرفت مهمی را به ارمغان آورد: فولاد دمشق که با تا کردن شمش‌های فولادی ووتز هندی ساخته شده بود، الگوی مشخصی از نوارهای کاربید آهن ایجاد کرد. سوزن های ساخته شده از این فولاد می توانند تیزی خود را تا 200 سوراخ حفظ کنند. در قرن چهاردهم، صنعتگران موری در کوردوبا، اسپانیا، پیشگام تکنیک «اسید اچ» شدند، شیارها و فلس‌های خون‌ریزی را بر روی سطح سوزن‌های فولادی حکاکی کردند و امکان کمی‌سازی اولیه حجم خون‌ریزی را فراهم کردند.

انقلاب مادی ناشی از انقلاب صنعتی

در سال 1740، هانتسمن، مخترع بریتانیایی، فرآیند فولاد بوته‌ای را توسعه داد و فولاد همگن-پر کربن را تولید کرد و تولید انبوه لانست‌ها را ممکن ساخت. دو پیشرفت تکنولوژیکی در اواسط قرن نوزدهم صنعت را متحول کرد: اول، فرآیند مبدل Bessemer که در سال 1856 معرفی شد، هزینه بدنه سوزن را تا 80% کاهش داد. دوم، در سال 1868، مخترع بریتانیایی هانت، آلیاژ فولاد نیکل را با استحکام کششی 620 مگاپاسکال توسعه داد که اجازه می داد ضخامت دیواره لوله سوزن تا 40 درصد کاهش یابد، بدون اینکه استحکامی کاهش یابد.

اختراع فولاد ضد زنگ در سال 1913 نقطه عطفی بود. Brearley در حین آزمایش با فولادهای لوله تفنگ متوجه شد که آلیاژ حاوی 12٪ کروم در اسید نیتریک خوردگی نمی کند. در سال 1926، شرکت Krupp آلمان 304 فولاد ضد زنگ (0Cr18Ni9) تولید کرد که 18٪ کروم آن یک لایه اکسید متراکم را تشکیل می داد و 8٪ نیکل ساختار آستنیتی را تثبیت می کرد و آن را به ماده غالب برای سوزن های خون ریزی تا اواسط قرن بیستم تبدیل می کرد. با این حال، مشاهدات بالینی نشان داد که 304 همچنان خطر خوردگی حفره‌ای در ضدعفونی‌کننده‌های کلردار را به همراه دارد که باعث بهبود بیشتر مواد می‌شود.

دقت فولاد ضد زنگ پزشکی مدرن

فولاد ضد زنگ 316 (0Cr17Ni12Mo2)، که در سال 1965 ساخته شد، حاوی 2٪ مولیبدن برای مقاومت در برابر خوردگی تنش کلرید است. استاندارد ASTM F138 آمریکا برای جلوگیری از خوردگی بین دانه‌ای، محتوای کربن 316L پزشکی را به زیر 0.03 درصد محدود می‌کند. مشخصات JIS G4303 ژاپنی مستلزم آن است که بدنه های سوزن تحت بازپخت محلول (کوئنچ از 1040 درجه) قرار گیرند تا از انحلال کامل کاربید کروم اطمینان حاصل شود.

Dina GmbH آلمان در سال 2002 "فولاد مارتنزیتی" را توسعه داد که از طریق آلیاژ چند عنصری با تیتانیوم، آلومینیوم و مولیبدن، پس از پیری در 580 درجه و حفظ کشیدگی 12٪، به سختی HRC52 دست می یابد. یک سوزن جمع آوری خون 25G ساخته شده از این ماده می تواند در برابر نیروی خمشی 150 نیوتن بدون تغییر شکل پلاستیک مقاومت کند و بر محدودیت سنتی فولاد ضد زنگ یعنی "سخت و در عین حال شکننده بودن" غلبه کند.

پیشرفت های مخرب در مواد هوشمند

آلیاژ حافظه شکل نیکل{0}}تیتانیوم (NiTi) امکانات جدیدی را ارائه می دهد. هنگامی که سوزن کمتر از دمای انتقال فاز خود است (معمولاً روی 28 درجه تنظیم می شود)، در حالت مارتنزیتی با سختی تنها HV200 باقی می ماند و به آن اجازه می دهد تا 30 درجه بدون شکستگی خم شود. با ورود به بدن و گرم شدن به حالت آستنیتی، سختی آن تا HV400 افزایش می یابد و نفوذ پایدار را تضمین می کند. سری SmartNeedle که توسط FDA ایالات متحده در سال 2015 تأیید شد، از این ویژگی برای دستیابی به پاسخ هوشمند{11}}نرم و انعطاف‌پذیر در دمای اتاق، سفت و سخت در دمای بدن استفاده می‌کند.

فناوری پوشش سطح نیز به همان اندازه حیاتی است: سوزن‌های پوشش‌داده‌شده DLC ({0}}شبیه کربن) همیلتون، که در سال 2018 معرفی شدند، ضریب اصطکاک را از 0.6 به 0.1 کاهش دادند و مقاومت در برابر سوراخ شدن را تا 40% کاهش دادند. پوشش سیلان فلوئوردار Terumo یک لایه هیدراتاسیون در مقیاس نانو تشکیل می دهد که کشش سطحی خون را تا 32 mN/m کاهش می دهد و از چسبیدن خون به دیواره سوزن جلوگیری می کند.

تغییر پارادایم در زیست سازگاری مواد

ارزیابی مواد سنتی بر بی اثری شیمیایی متمرکز است، در حالی که استانداردهای مدرن بر "مدولاسیون پاسخ بیولوژیکی" تاکید دارند. استاندارد ISO 10993-1 اتحادیه اروپا به ده آزمایش از جمله سمیت سلولی، حساسیت و همولیز نیاز دارد. تحقیقات نشان داده است که یک پوشش هیدروکسی آپاتیت بر روی سطح فولاد ضد زنگ 316L می تواند چسبندگی فیبروبلاست را تا سه برابر افزایش دهد و باعث بهبودی در محل سوراخ شود.

اکتشاف مواد زیست تخریب پذیر امیدوارکننده تر است. در سال 2020، یک سوزن آلیاژی منیزیم-روی-گادولینیوم که توسط مؤسسه فراونهوفر در آلمان ساخته شد، در عرض 60 روز در بدن کاملاً تخریب شد و مقاومت کششی را تا 21 روز حفظ کرد و برای بیماران مبتلا به اختلالات ژنتیکی که نیاز به خونریزی مکرر دارند، مناسب است. در همین حال، یک سوزن کامپوزیت پلی (ε-کاپرولاکتون)/هیدروکسی آپاتیت که توسط مؤسسه فناوری پیشرفته شنژن در چین ساخته شده است، با تنظیم بلورینگی، دوره تخریب 6 تا 8 هفته را کنترل می کند.

متقابل{0}}ادغام انضباطی مواد آینده

کامپوزیت‌های تقویت‌شده با گرافن در حال حاضر در مرحله آزمایشگاهی هستند: محققان دانشگاه منچستر در بریتانیا 0.1 درصد گرافن را در پودر 316 لیتری گنجانده‌اند و سوزنی را از طریق چاپ سه بعدی ذوب لیزری انتخابی تولید می‌کنند که 130 درصد افزایش رسانایی حرارتی را به دست می‌آورد و باعث می‌شود که رسانایی حرارتی{5} محلی‌سازی شود. در همین حال، MIT یک سوزن مبتنی بر الاستومر{7}}کریستال مایع ایجاد کرده است که می‌تواند به طور فعال 15 درجه تحت یک میدان الکتریکی در 40 درجه خم شود و امکان سوراخ کردن رگ را{10}}ردیابی کند.

از دیدگاه علم مواد، تکامل سوزن‌های خون‌ریز اساساً تاریخچه درک عمیق بشر از رابط "فلزی-بدن" است. هر پیشرفت مادی ما را قادر می سازد تا تعامل بین دستگاه های پزشکی و سیستم های زنده را در مقیاس های ریزتر تنظیم کنیم. این لوله فلزی باریک، طولی بیش از یک اینچ ندارد، در واقع یک عالم کوچک است که در آن علم مواد، پزشکی بالینی و بیومکانیک همگرا می شوند.